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Strombegrenzender Schnellschalter
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Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden und insbesondere für
hohe Nennströme vorgesehenen Schnellschalter mit mindestens einer Trennstelle pro
Schalterpol, wobei jede Trennstelle zwei zueinander bewegliche Kontaktarme aufweist,
mit Mitteln zur Erzeugung einer auf die Kontaktarme wirkenden Kontaktkraft und mit
einer Vorrichtung zur Betätigung der Kontakt arme oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes
des Ausschaltstromes.
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Ein derartiger Schnellschalter mit einem doppeltunterbrechenden Kontaktsystem
ist etwa aus der DE-OS 22 04 662 bekannt. Die beweglichen Kontaktarme dieses Schalters
sind in der Einschaltstellung durch Druckfedern gegen feste Kontaktarme gepresst.
Die Kontaktarme werden gegensinnig vom Ausschaltstrom durchflossen, so dass auf
die Kontaktarme wegen des elektrodynamischen Feldes des Ausschaltstromes abstossende
Kräfte wirken. Die Kraft der Druckfedern ist nun so bemessen, dass beim Ueberschreiten
eines fesvgelegten Grenzwertes des Ausschaltstromes, etwa bei einem Kurzschluss
oder bei einem starken Ueberstrom die auf die Kontakt arme wirkenden elektrodynamischen
Kräfte diese Bederkrtfte verwinden und ein Oeffnen der auf den Kontaktarmen angebrachten
Kontakt stücke des Schalters bewirken. ährend der ersten Trennphase müssen die beweglichen
Kontaktarme
zunächst die Federkraft verwinden, danach überschreitet die Federachse eine das
Federsystem.
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mechanisch stabilisierende Verbindungsgerade und kehrt das Federmoment
um, so dass nun das weitere Oeffnen der Kontaktarme von den Federn unterstützt wird.
Die Federkraft in der ersten Trennphase verhindert das schnelle Erreichen der minimal
notwendigen Kontaktstücköffnung zum Abwandern des Lichtbogens aus dem Kontaktbereich
in eine Löschkammer Je nach Anstieg der elektrodynamischen Kraft findet eine mehr
oder weniger schleichende Oeffnung der Kontaktstelle statt, so dass ein derartiger
Schalter gegebenenfall3 eine relativ grosse Verharrzeit des Lichtbogens (das ist
die Zeit zwischen der Kontakttrennung sind d-r. Abwandein des Lichtbogens) aufweist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen strombegrenzenden Schnellschalter
der gattungsgemässen Art zu schafen, bei dem der zur raschen Löschung des Ausschaltlichtbogens
notwendige Kontakthub in sehr kurzen Zeiten erreichbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch
1 gelöst. Der erfindungsgemässe echnellschalter zeichnet sich dadurch aus, dass
die Trenngeschwindigkeit seiner Kontaktstücke gegenüber derjenigen bei bekannten
Schaltern mindestens verdoppelt ist. Dadurch wird der Abbrand der Kontaktstücke
erheblich reduziert.
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Durch eine gegebenenfalls vorgesehene Verriegelung der Kontaktarme
wird ferner stets mit Sicherheit eine schleiherde Trennung der Kontakte in allen
Schalt fällen vermieden, da im Augenblick der Wirkung der Oeffnungskraft die Kontaktkraft
voll beseitigt ist. Hierdurch wird die Trenngeschwindigkeit der Kontakte ausserdem
noch @usätslich erhöht. Üiic Kontaktöffnungsfraft karlrl olir ferner sehr gering
sein, ia diese Kraft nicht er:,f gegen di Kon,ikt-
kraft Arbeit
leisten muss. Die Verharrzeit wird verkürzt, da wegen der Verriegelung gleich zu
Beginn der Lichtbogenbildung eine sehr starke magnetische Beblasung des Lichtbogens
einsetzt. Darüber hinaus kann die Kontaktkraft gross gewählt werden, da sie im Augenblick
der Kontakttrennung nicht mehr wirksam ist. Ausserdem brennen die Kontakte nur äusserst
geringfügig ab, da sie bis zur Wirkung der vollen Oeffnungskraft geschlossen bleiben.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Schnellschalters
ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
in vereinfachter Form dargestellt.
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Es zeigt: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemässen Schnellschalters, Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemässen Schnellschalters, und Fig. 3 den prinzipiellen
Aufbau einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schnellschalters, Fig.
4 den prinzipiellen Aufbau einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Schnellschalters.
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In allen Figuren sind gleiche Teile mit denselben Bezugseichen versehen.
Der erfindungsgemässe strombegrenzende
Schnellschalter gemäss Fig.
1 weist zwei als bewegliche Kontaktbrücken ausgebildete Kontaktarme 1 und 2 auf.
Die Kontaktbrücke 1 besteht aus einem einzigen leitenden Teil, welches mittels eines
elektrisch isolierenden Zwischenstückes 3 auf einer Achse 5 angeordnet ist. Die
Kontaktbrücke 2 enthält zwei leitende Teile 2a und 2b, welche mittels eines elektrisch
isolierenden Zwischenstückes 4 gegeneinander elektrisch isoliert und auf einer Achse
6 angebracht sind. Damit wird erreicht, dass der über einen Schalteranschluss 8
und einen flexiblen Leiter 9 zum leitenden Teil 2a der Kontaktbrücke 2, über Kontaktstücke
12 und 11 zur Brücke 1, von der Brücke 1 über Kontaktstücke 13 und 14 zum zweiten
Teil 2b der Brücke 2 und von hier über einen flexiblen Leiter 10 und Wicklungen
16 und 15 von fest angebrachten Elektromagneten 18 und 17, eine Strommschiene 19
und einen Verbindungsleiter 21 zum Schalteranschluss 7 fliessende Strom im Bereich
der Kontaktstellen eine Schleife bildet. Hierdurch werden im Bereich der Kontaktstellen
elektrodynamische Abstossungskräfte erzeugt. Durch eine Feder 20 werden die Kontaktbrücken
1, 2 zusammengepresst. Diese Feder 20 ist in einer beweglichen Hülse 22 angeordnet
und ist fest in Gehäusen 23 und 24 aufgehängt. Die Kontaktkraft der Kontaktarme
1, 2 wird über die Hülse 22 auf einen Verbindungsteil 26 übertragen.
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Ueber einen Hebel 30, welcher mittels eines Gelenkes 28 mit dem Verbindungsteil
26 verbunden ist, wird diese Kontaktkraft über die Achse 6 auf die Kontaktbrücken
1 und 2 übertragen. Die Feder 20 ist in der dargestellten Anordnung als Druckfeder
ausgebildet. Bei Stromfluss werden beide Kontakt arme 1, 2 wegen des durch Pfeile
angedeuteten gegensinnigen Stromflusses voneinander abgestossen. Die Kontaktkraft
der Feder 20 ist nun so bemessen, dass im Augenblick der Oeffnung die dynamische
Abstossungskraft der Kontaktarme 1, 2 kleiner oder höchsten' gleich der
Kontaktkraft
der Feder ist. Die Oeffnung wird beim Ueberschreiten eines festgesetzten Grenzwertes
des auszuschaltenden Stromes durch Verdrehung des als Verriegelung wirkenden Hebels
30 sowie durch Verdrehung eines weiteren in einem Drehlager 27 angebrachten Hebels
29 bewirkt.
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Um diese Verriegelungen aufzuheben, sind zwei bewegliche Schlaganker
31, 32 vorgesehen. Die Schlaganker 31 und 32 werden im fehlerfreien Fall durch fixierte
Dauermagnetsysteme 33 und 34 gehalten. Diese Schlaganker üben im fehlerfreien Fall
keine Kräfte auf die Hebel 29 und 30 aus.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Schnellschalters beim Ausschalten
ist nun wie folgt: Beim Ueberschreiten eines bestimmten Stromwertes werden an den
beiden beweglichen Kontaktbrücken 1 und 2 elektrodynamische Kräfte erzeugt. Gleichzeitig
werden die ElekWromagnete 17 und 18 von demselben Strom durchflossen, wodurch nun
auf die Schlaganker 31 und 32 Kräfte erzeugt werden, die beim Ueberschreiten eines
bestimmten Grenzwertes die Schlaganker 31 und 32 abreissen, welche ihrerseits entsprechende
Impulse an die Hebel 29 und 30 abgeben. Durch Kippen der Hebel 29 und 30 kommen
die elektrodynamischen Kräfte an den Kontaktbrücken 1 und 2 stossartig zur Wirkung
und die beiden Kontaktbrücken 1 und 2 werden voneinander abgestossen, wobei deren
Achsen 5 und 6 in Führungen 35 und 36 verdrehsicher bewegt werden. Hierbei werden
zwischen den Kontaktstücken 11, 12 und 13, 14 Lichtbögen gezogen, die durch magnetische
Beblasung zum Erlöschen gebracht werden. Die Bewegungen der Kontaktbrücken l und
2 können zweckmässigerweise mittels Anschlägen 37 und 38 begrenzt werden. Die für
das Halten der Hebel 29 und 30 nach dem Kippen sowie für das Zurückbringen dieser
Hebel
sowie der Schlaganker 31, 32 benötigten Einrichtungen sind
aus Gründen einer besseren Uebersichtlichkeit nicht dargestellt. Es sind ferner
Anschläge 39 und 40 vorgesehen, durch die die Lage der Hebel 29 und 30 im eingeschalteten
Zustand festgelegt ist.
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Vorteile dieser ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen Schnellschalters
bestehen in einer minimalen Verharrzeit, einer ~großen Kontaktkrart, einem verschwindenden
Kontaktabbrand und einer äusserst hohen Kontakttrennungsgeschwindigkeit.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Schnellschalters
ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Schnellschalter weist ebenfalls zwei als Verriegelungsglieder
wirkende Hebel 29 und 30 auf, jedoch sind bei dieser Ausführungsform die Kontaktarme
1, 2 nicht als Brücken, sondern als drehbar in Lagern 42, 45 angeordnete Hebel von
annähernd gleicher Masse und Geometrie ausgeführt. Darüber hinaus weist dieser Schalter
zwei feste Stromschienen 41, 42 auf.
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Jede dieser Stromschienen 41, 42 ist in der Einschaltstellung des
Schalters im Bereich eines Lagers 45, 42 parallel zu einem der beweglichen Kontaktarme
1, 2 angeordnet und wird wie durch die Pfeile angedeutet ist vom Ausschaltstrom
gegensinnig zu den beweglichen Kontaktarmen 1, 2 durchflossen.
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Bei dieser Ausführungsform werden nach dem Entriegeln beide Kontaktarme
1, 2 mit hoher Geschwindigkeit und grosser Kraft voneinander abgestossen. Dies einerseits,
da beide Kontaktarme 1, 2 sich voneinander fortbewegen, wodurch die Oeffnungsgeschwindigkeit
gegenüber Schaltern, bei denen einer der Kontaktarme als Festkontakt ausgebildet
ist, verdoppelt wird. Dies andererseits, da die Stromschienen
41,
42 im Bereich der Lager 45, 42 durch entsprechende Gestaltung der Arme sehr eng
an die gegensinnig vom Ausschaltstrom durchflossenen Kontaktarme 1, 2 herangebracht
werden können und daher auch dann noch eine grosse Kraft auf die Kontakt arme 1,
2 ausüben, wenn der Abstand zwischen den beiden Kontaktstücken 11, 12 bereits sehr
gross ist. Dies ist auch dann von besonderem Vorteil, wenn die Kontaktarme 1, 2
gegensinnig vom Ausschaltstrom durchflossen werden, da die dynamischen Abstossungskräfte
im Bereich der bewegten Kontakt stücke 11, 12 mit zunehmendem Abstand viel rascher
abnehmen als im Bereich der Lagerstellen 42, 45.
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In der Ausführungsform gemäss Fig. 2 ist darüber hinaus ein Elektromagnet
44 mit offenem magnetischen Kreis vorgesehen.
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Bei Erregung des Magnetes 44 wird ein nicht bezeichneter Anker angezogen,
wodurch über das mit dem Anker verbundene Teil 26, das Gelenk 28 und den Hebel 30
eine Kraft auf den Kontaktarm 2 ausgeübt wird. Auf diese Weise wird gemeinsam mit
dem Hebel 29 die Verriegelung der Kontaktarme 1, 2 erreicht, und die Erzeugung der
Kontaktkraft sowie die Kompensation des Abbrandes der Kontaktstücke-ll, 12 bewirkt.
Die Abbrandkompensation erfolgt hierbei durch den im magnetischen Kreis befindlichen
Luftspalt, kann aber auch wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 durch eine
Feder 20 erfolgen.
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Die Ausführungsform des erfindungsgemässen Schnellschalters gemäss
Fig. 3 weist lediglich einen einzigen drehbar angeordneten Kontaktarm 2 auf. Der
andere Kontaktarm 1 ist fest.
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Beim Ueberschreiten eines bestimmten Wertes des durchfliessenden Stromes
treten an den Kontaktarmen 1, 2 Kräfte auf, die die Kontaktarme 1, 2 wegen des gegensinnigen
Fliessens des Ausschaltstromes öffnen wollen. Bei einem festgesetzten Grenzwert
des Stromes, welcher unterhalb desjenigen Strom-
wertes liegt,
bei dem die elektrodynamische Abstossungskraft der Kontaktarme 1, 2 grösser als
die Kraft der Feder 20 ist, reisst der über ein flexibles Leiterstück 46 und eine
feste Stromschiene 47 mit dem beweglichen Kontaktarm 2 verbundene Elektromagnet
16, 18 den Schlaganker 32 vom Dauermagneten 34 ab. Der Anker 32 schlägt mit seinem
Endteil 48 auf den Riegel 30 auf und dreht ihn so, dass keine Federkraft mehr auf
den Kontaktarm 2 übertragen wird. Somit wirkt die Oeffnungskraft ab diesem Moment
nur noch entsprechend der Massenträgheit des beweglichen Kontakt armes 2 und zwar
schlagartig, wodurch eine hohe Anfangsgeschwindigkeit des beweglichen Kontaktes
erreicht wird.
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Bei der Ausführungsform des erfindungsgemässen 3chnellschalters gemäss
Figur 4 ist keine Verriegelungsvorrichtung vorgesehen. Dieser Schalter weist zwei
bewegliche und miteinander zusammenarbeitende Kontaktarme 1, 2 auf. Diese Kontaktarme
bilden über Kontaktstücke 11, 12 die Schaltstelle. Beide Kontaktarme sind drehbar
in den Lagern 42 und 45 angeordnet. Durch einen Anschlag 5Q' der gleichzeitig als
Isolation dient, wird die Bewegung jedes Kontaktarmes 1 (2) in Richtung des anderen
Kontaktarmes 2 (1) verhindert. Die Kontaktkraft wird in der dargestellten Anordnung
durch Druckfedern 55, 56 erzeugt, welche über Stangen 59, 60 und Gelenke 63, 64
mit Stangen 61, 62 verbunden sind, die ihrerseits über Gelenke 65, 66 die Federkräfte
auf die Kontaktarme 1, 2 übertragen. Die Kontaktarme 1, 2 sind über flexible Leiter
g mit} Anschlüssen 7, 8 des Schalters verbunden. Die beiden Kontaktarme L, 2 weisen
annähernd gleiche tasse auf und werden durch die beiden Druckfedern 55, 56 mit annähernd
gleich grossen Kontaktkräften belastet. Die Stangen 59, 60, 61,62 und Gelenke 63,
64, 65, 66 sind hierbei derart angeordnet, dass die kontaktkrafterzeugende Komponente
jeder Feder 55, 56 beim Oeffnen der
Kontaktarme 1, 2 bis zum Federtotpunkt
abnimmt.
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Im Fehlerfall beim Ueberschreiten eines bestimmten Wertes des durch
den Schalter fliessenden Stromes überwindet die elektrodynamische Kraft im Bereich
der Schalt stelle die beiden Kontaktkräfte, und die Kontaktarme 1, 2 werden voneinander
abgestossen. Durch gegenseitiges Entfernen der Kontaktarme 1, 2 voneinander entsteht
in der Anfangsphase der Oeffnung der doppelte Weg infolge derselben Kraft, und der
entstandene Lichtbogen kann in die Löschbleche 49 wandern. Infolge der gegenüber
bekannten Schnellschaltern nahezu verdoppelten Trenngeschwindigkeit der an den Kontaktarmen
1, 2 angebrachten Kontakt stücke wird der Abbrand der Kontaktstücke 11,- 12 erheblich
reduziert.
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Beim Abstossen der Kontaktarme 1 und 2 wandern durch-die steifen Verbindungsstangen
61, 62 die Gelenkstellen 63, 64 in Richtung der Längsachsen der Stangen 59, 60 und
zwar so, dass sich die Stange 59 in Führungen 51, 53 und die Stange 60 in Führungen
52, 54 derart verschieben, dass an den Stangen 59, 60 angebrachte Bünde 57, 58 die
Druckfedern 55, 56 zusammendrücken. Durch die gewählte Anordnung der Federn 55,
56 und. entsprechend reibungsarme Auslegung der Gelenke 63, 64, 65, 66 wird erreicht,
dass die kontaktkrafterzeugende Komponente jeder der dargestellten Federn 55, 56
mit zunehmendem Oeffnungsweg abnimmt und nach dem Ueberschreiten des Federtotpunktes
ihre Richtung umkehrt und die völlige Ausschaltung bewirkt. Die Oeffnungsbewegung
der Kontaktarme 1, 2 kann durch Anschläge begrenzt werden.
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B e z e i c h n u n g s 1 i s t e 1, 2 Kontaktarme 2a, 2b leitende
Teile des Kontaktarmes 2 , 4 elektrisch isolierende Zwischenstücke 5, 6 Achsen 7,
8 Schalteranschlüsse 9, 10 flexibler Leiter 11, 12, # Kontaktstücke 13, 14 15, 16
Leiterwicklungen i7, 18 Elektromagnete 19 Stromschiene 20 Feder 21- Verbindungsleiter
22 Hülse 23, 24 feste Gehäuseteile 26 Verbindungsteil 27, 28 Drehlager 29, 30 Riegel
31, 32 Schlaganker 33, 34 Dauermagnet 35, 36 Führung 37, 38, Anschläge 39, 40 #
41, 43 feste Stromschienen 42, 45 Drehlager 44 Elektromagnet 46 flexibler Leiter
47 Stromschiene 48 Endteil 49 Löschbleche 50 Anschlag 51, 52, 53, 54 # Führungen
55, 56 Druckfedern 57, 58 Bünde 59, 60, Stangen 61, 62 63, 64, Gelenke 65, 66 #