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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator mit einem Fehler-
Unterbrecherschutzsystem, wobei dieser Kondensator einen trocknen
Metallfolienkondensatorteil mit einem hohlen Kern und metallisierten Anschlußrändern aufweist, die als
Kontaktstellen für jede Platte dieses Kondensators dienen, wobei die genannten
Kontaktstellen in einem Abstand voneinander liegen, wobei dieser Kondensator von den
genannten Kontaktstellen über elektrische Leitungen mit einer Schaltungsanordnung
verbindbar ist, wobei er weiterhin ein nicht metallisches Gehäuse aufweist mit einer
nicht metallischen Kappe, und wobei Vergußmasse den genannten Kondensatorteil und
einen Teil der genannten Leitungen innerhalb des genannten Gehäuses einschließt, und
wobei diese Leitungen sich durch eine Wand des genannten Gehäuses erstrecken und
das Fehler-Unterbrecherschutzsystem für den genannten Kondensator eine in dem
genannten hohlen Kern vorgesehene thermische Schutzvorrichtung aufweist.
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In der gedruckten Literatur oder in der Patentliteratur sind auf dem
betreffenden Gebiet zwar trockene Metallfolienkondensatoren mit einen inneren
Fehlerunterbrecher bekannt. Was aber davon bekannt ist, ist daß innere
Fehlerunterbrecher entweder vom thermischen Typ oder von druckempfindlichen Typ waren. Ein
nur durch einen thermischen Fehlerunterbrecher geschützter Kondensator wird nur im
Falle eines geringen Stromlecks geschützt, wobei im Laufe der Zeit die innere Wärme
genügend ansteigen wird um den Fehlerunterbrecher auszulösen. In der Situation, in der
der thermische Unterbrecher benutzt wird bei einem AG-Kondensator in einem
Kunststoffgehäuse, kann eine unakzeptierbare Leckstromsituation entstehen, die vor dem
Auslösen des Fehlerunterbrechers dazu führen kann, daß der Kunststoff des Gehäuses
schmilzt oder reißt. Ein unakzeptierbarer Leckstrom tritt insbesondere unter solchen
Umständen auf, bei denen es eine stellenweise Überhitzung gibt und der Kunststoff des
Gehäuses mit Metall von der metallisierten Oberfläche der Kondensatorfolienwicklung
verunreinigt wird. Im Fall eines direkten elektrischen Kurzschlusses, dem die
metallisierte Folie nicht gewachsen ist, können sehr hohe Ströme fließen, wodurch eine
schnelle Gasexpansion oder eine örtliche Erhitzung nicht nahe beim thermischen
Unterbrecher verursacht wird, es sei denn, daß der Strom unterbrochen wurde bevor
eine innere oder äußere Beschädigung auftreten kann.
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Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Metallfolienkondensatoren mit
Fehlerunterbrecher erwähnt das Britische Patent Nr. 1,569,186, in dem ein
Folienkondensator beschrieben wird, bei dem der Kondensatorwickel bei Erhitzung verformt,
wodurch ein Kontakt unterbrochen wird. Das Problem bei dieser Anordnung ist, daß zu
dem Zeitpunkt, wo die innere Temperatur hoch genug ist zum Verformen des Wickels,
irgend eine andere Unterbrechung aufgetreten sein kann, wie ein Zerreißen des
Gehäuses oder ein Zerschmelzen des Kunststoffgehäuses.
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Das U.S. Patent 3,496,432 bezieht sich ebenfalls auf einen trocknen
Folienkondensator, wobei man sich zum Unterbrechen eines Kontaktes auf die
Temperatur verläßt.
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Das U.S. Patent 3,909,683 beschreibt einen druckempfindlichen
Fehlerunterbrecher bei einem trocknen Folienkondensator. Bei wird ein nachgiebiger
Hohlraum mit einem schmelzbaren Teil eines hindurchgeführten Leitungsdrahtes vorgesehen.
Im Falle eines durch einen Fehler verursachten Überdrucks wird mindestens eine
Kontaktbrücke getrennt. Unglücklicherweise sammeln sich in dem Hohlraum Gase an,
die durch einen Funken bei der Kontaktunterbrechung gezündet werden können. Diese
Anordnung neigt dazu, für kommerzielle Zwecke zu unzuverlässig zu sein.
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Bis vor kurzem waren keine trocknen Folienkondensatoren mit
Fehlerunterbrecher kommerziell erhältlich, wobei es erwähnt sei, daß die wenigen in der
Literatur über den Stand der Technik erwähnten Anordnungen kaum oder keinen
kommerziellen Wert haben.
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Die Literatur über nasse Folienkondensatoren mit Fehlerunterbrecher ist
groß; typische neue U.S. Patente sind Nr. 4,398,782 und 4,454,561.
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Ein Kondensator der eingangs beschriebenen Art ist bekannt aus EP
168.370. Dieses Dokument beschreibt einen Kondensator mit einer thermischen
Schutzvorrichtung, die in dem hohlen Kern des Kondensatorwickels vorgesehen ist.
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Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen derartigen Kondensator mit
einem inneren Fehlerunterbrecher zu schaffen, der über einen großen Strombereich
wirksam ist und das Spektrum etwaiger Fehlermoden bei trocknen Folienkondensatoren
bestreicht.
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Diese Aufgabe wird erfüllt durch den Kondensator nach Anspruch 1
erfüllt. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kondensators werden in
den nachfolgenden Patentansprüchen beschrieben.
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Es sei bemerkt, daß in GB 1.388.052 ein Kondensator mit einer
Sicherung beschrieben wird, die ausgelöst wird, wenn der Kondensator einen einen
vorbestimmten Wert überschreitenden elektrischen Strom zieht. Die Erfindung
bezieht sich auf einen Metallfolienkondensator zum Gebrauch zusammen mit einem
Ballast mit hoher Entladungsintensität, einem Motorlaufkondensator u. dgl., wobei ein
derartiger Kondensator über einen großen Strombereich muß arbeiten können und einen
Fehlerunterbrecher aufweisen muß. Der Zweck eines Fehlerunterbrechers bei einem
Metallfolienkondensator ist, den Kondensator von einer Speisequelle elektrisch zu
isolieren, wenn der Kondensator in seinen Wicklungen einen totalen oder teilweisen
Kurzschluß verursacht hat. Die Erfindung schafft einen geschützten
Metallfolienkondensator, bei dem der Schutz durch Verwendung einer kombinierten
stromaktivierten Sicherung und einer wärmebetätigten thermischen Schutzvorrichtung
verwirklicht wird, die beide mit dem Kondensator in Reihe geschaltet sind. Der
Kondensatorwickel ist in Aluminiumfolie gewickelt um durch einen Fehler erzeugte
Wärme einwärts zu dem hohlen Kern des Kondensatorteils abzuleiten, sowie zum
Enthalten geschmolzenen Materials. Die thermische Schutzvorrichtung ist elektrisch
aufgenommen in eine Leitung und liegt innerhalb des Kerns des
Kondensatorfolienwickels zur Verstarkung der Empfindlichkeit gegen
Temperaturänderungen. Es ist ebenfalls eine stromaktivierte Sicherung mit einer Leitung
derart elektrisch verbunden, daß der Kondensator, die thermische Schutzvorrichtung und
die Sicherung in Reihe liegen. Der durch diese Kombination gebotene Schutz ist sehr
effektiv, weil er das Spektrum etwaiger Fehlermoden bei trocknen
Metallfolienkondensatoren bestreicht. In dem Fall, wo die Einströmung von Strom sehr
stark ist, was dazu führen könnte, daß das Gehäuse zerrissen wird, ist die Sicherung als
Schutzeinrichtung gegen einen solchen Fehler wirksam. Wenn, andererseits, die
Einströmung von Strom niedrig genug ist, so daß sie eine Sicherung nicht auslösen
würde, wird der niedrige Strom dazu führen, daß der Kondensator bis zu einem Punkt
erhitzt wird, an dem die thermische Schutzvorrichtung ausgelöst würde zur Vermeidung
von Feuer oder um zu vermeiden, daß ein Kunststoffgehäuse zerschmelzen würde.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt durch einen trocknen Metallfolienkondensator mit
dem erfindungsgemäßen Fehlerunterbrecher,
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Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch den erfindungsgemäßen
geschützten Kondensator.
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Fig. 1 zeigt einen trocken Metallfolienkondensator 10 einer typischen
Konstruktion, jedoch mit dem erfindungsgemäßen darin vorgesehenen
Fehlerunterbrecher. Derartige Kondensatoren sind als Motoranlaß- oder Motorlaufkondensatoren,
oder aber bei einem Ballast mit hoher Entladeintensität verwendbar. Der Kondensator
10 hat ein Kunststoffgehäuse 12, eine Kunststoffkappe 14 und enthält einen
Metallfolienkondensatorteil oder -wickel 16 aus metallisiertem Polypropylen mit einem hohlen
Kern 17. Der Kondensatorteil 16 weist metallische Kontaktstellen oder Anschlüsse 18,
20 auf, an denen spezifische Leitungsdrähte 22, 24 elektrisch und mechanisch befestigt
sind. Wie untenstehend noch erläutert, ist in der bevorzugten Ausführungsform jede
Leitung verschieden verbunden, und zwar zum Aufnehmen des erfindungsgemäßen
Fehlerunterbrechers, was einen geschützten Folienkondensator ergibt.
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In der bevorzugten Ausführungsform können das Gehäuse 12 und die
Kappe 14 aus jedem beliebigen nicht-leitenden Material hergestellt sein, das den
Leistungsnormen für einen derartigen Kondensator entspricht. So werden typisch GE
Noryl (Warenzeichen) oder ein Kunststoff auf Polyphenylen-Basis benutzt. Der
Kondensatorteil 16 ist üblicherweise ein Wickel aus metallisiertem Polypropylen, wobei
zwei Folien auf einem Wickel zusammengewickelt werden, für jede Platte eine Folie,
wobei die Folie für jede Platte auf nur einer Seite des Wickels fortgesetzt wird, so daß
jedes Ende des Kondensatorteils abgewinkelt (Eng: "geshooped") werden kann, zum
Bilden von metallischen Kontaktstellen 18, 20 zur elektrischen Verbindung mit einer
Platte an jedem Ende. Der Kondensatorteil 16 wird üblicherweise auf einem Dorn
gewickelt und weist, wenn von demselben entfernt, einen hohlen Kern 17 auf.
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Fig. 1 zeigt ebenfalls die bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen geschützten Fehlerunterbrecher in Betriebslage, wenn angeordnet in dem
typischen AG-Kondensator 10. Aufgabe des Fehlerunterbrechers ist es, den trocknen
Metallfolienkondensator gegenüber einer Stromquelle zu isolieren, wenn der
Kondensator einen totalen oder teilweisen Kurzschluß innerhalb der Windungen des
Kondensators selbst verursacht hat. Während eines solchen Fehlers zwischen den
Anschlüssen 18, 20 des Kondensators 10 innerhalb des Kondensatorteils 16 tritt
innerhalb des Kondensatorwickels ein Druck- und/oder Temperaturanstieg auf, wobei
zunächst ein langsamer Temperaturanstieg im Falle einer Kleinen Stromflusses oder
mehrere Gase im Falle eines höheren Stromflusses herbeigeführt wird bzw. erzeugt
werden. In einem Niedertemperaturbetrieb unter Betriebsverhältnissen mit geringer
Amperezahl wird die Temperatur innerhalb des Gehäuses 12 dazu neigen, langsam
anzusteigen, wobei ggf. in der Seitenwand des Gehäuses eine stellenweise Überhitzung
auftritt und das Kunststoffgehäuse durch Schmelzen zerrissen wird. Im Falle eines
hohen Stromflusses durch den Kondensator können aus dem Dielektrikum Gase erzeugt
werden und die Expansion dieser Gase könnte ein Zerreißen des starren Gehäuses
herbeiführen. Gase können meistens an dem einen oder am anderen Ende aus dem
Kondensator entweichen, da sie die Neigung haben, sich in dem Kern oder am oberen
Ende der Kondensatoreinheit 10 anzusammeln. Der Fehlerunterbrecher nach der
Erfindung schafft ein Schutzsystem für einen in einem Kunststoffgehäuse
untergebrachten trocknen Kondensator aus metallisierter Polypropylenfolie, wobei eine Sicherung
verwendet wird zum Schützen gegen eine Einströmung hohen Stromes und eine
thermische Schutzvorrichtung zum Schützen gegen einen Strom, der niedrig genug ist,
so daß eine Sicherung nicht ausgelöst wird, der aber dennoch nach einer bestimmten
Zeit einen Kondensator bis zu einem Punkt erhitzen würde, bei dem ein Feuer auftreten
oder das Kunststoffgehäuse zerschmolzen und dadurch zerrissen werden könnte.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherung sowie auf eine thermische
Schutzvorrichtung zum Bestreichen des Spektrum etwaiger Fehlermoden. Die Sicherung
und die thermische Schutzvorrichtung sind mit dem Kondensatorteil in Reihe geschaltet.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die thermische Schutzvorrichtung auf geeignete Weise
in der Kondensatoreinheit 10 angeordnet wird, dies zur Steigerung der Empfindlichkeit
gegen Temperaturänderungen. In Fig. 1 besteht die Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung aus drei zusätzlichen Basiselementen. Ein Element ist eine
Sicherung 30 zum Schützen des Kondensators 10 gegen Überstrom. Das zweite Element
ist eine thermische Schutzvorrichtung 34 und das dritte Element ist eine Aluminiumfolie
38. Die thermische Schutzvorrichtung 34 und die Aluminiumfolie 38 arbeiten zusammen
zum Schützen des Kondensators gegen Übertemperatur. Diese drei zusätzlichen
Elemente arbeiten alle zusammen zum Schützen des Kondensators 10 gegen jeden durch
einen inneren Fehler in dem Kondensatorteil 16 verursachten Fehler.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist eine Sicherung 30 durch ihre
Leitung 31 an einem Ende mit einer ersten Kontaktstelle 18 und am anderen Ende mit
der ersten Leitung 22 innerhalb des Gehäuses 12 elektrisch verbunden. Eine zweite
Leitung 24 ist in Teile 24a, 24b aufgeteilt. Ein Ende von Leitung 24a ist an dem
gegenüberliegenden Ende des Kondensatorteils 16 mit dem zweiten Anschluß 20
elektrisch verbunden. Eine "einmalige" thermische Schutzvorrichtung 34 ist zwischen
dem anderen Ende des Teils 24a und dem einen Ende des Teils 24b der zweiten Leitung
24 elektrisch verbunden. Die Leitung 24 wird dann derart durch den hohlen Kern 17
des Kondensatorteils 16 geführt, daß die thermische Schutzvorrichtung zwischen den
Enden des hohlen Kerns 17 nahezu zentriert liegt. Der zweite Leitungsteil 24b setzt sich
durch den Kern 17 zu der Spitze fort und verläßt das Gehäuse 12 an einer geeigneten
Stelle.
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Es ist ein dünnes Blatt Aluminiumfolie 38 um den Umfang des
Kondensatorteils 16 gewickelt. Es wird dabei bevorzugt, daß die Folie 38 mit nur einem
abgewinkelten (Eng: shooped) Rand in Kontakt ist, aber elektrischen Kontakt mit dem
anderen abgewinkelten (shooped) Rand 18 oder 20 vermeidet. Die Folie 38 wird durch
jedes geeignetes Befestigungsmittel, wie Klebestreifen 39 oder Klebstoff in straff
umwickelter Lage gehalten. Die Aluminiumfolie könnte durch jedes geeignete Material,
das die durch einen Fehler erzeugte Wärme bestehen kann und vermeidet, daß
metallisierte Folie zu sprühen anfängt bevor die thermische Schutzvorrichtung 34 ausgelöst
worden ist, ersetzt werden.
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Das Ganze aus Kondensatorteil 16, Leitungen 22, 24, Sicherung 30,
thermische Schutzvorrichtung 34 und Aluminiumfolie 38 wird in einem Gehäuse 12
untergebracht. In dem Gehäuse wird Vergußmasse 40 gegeben um etwa Dreiviertel des
Ganzen zu bedecken. Es ist nicht notwendig Vergußmasse 40 in den Kern 17 zu geben
bzw. das Gehäuse 12 völlig zu füllen. Die Leitungen 22, 24 werden in (nicht
dargestellten) Leitungsrinnen in dem Gehäuse 12 vorgesehen und die Kappe 14 wird durch jedes
geeignetes Mittel, wie im Ultraschallschweißverfahren, am Gehäuse befestigt.
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Die Wirkungsweise des geschützten Kondensators 10 ist nun wie folgt.
Wenn einem Kondensator 10, der einen Fehler aufweist oder kurzgeschlossen ist,
Spannung und Strom zugeführt werden, kann eine von zwei Situationen auftreten.
Erstens, wenn der Kurzschluß von geringem Widerstand ist, wird der Strom ansteigen.
In der ersten Situation, bei Überstrom oder bei einem plötzlichen Stromfluß, wird die
Sicherung 30 als Schutz benutzt. Der Sicherungsbereich wird durch die Kapazität, die
Spannung und die Periodenzahl bestimmt. Die Wirkungsweise der Sicherung ist
durchaus bekannt.
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Zweitens, wenn der Widerstand hoch ist, wird der Strom niedrig genug
sein um den Kurzschluß zu passieren und den Kondensator zu erhitzen. Die Wärme in
dem Kondensator wird ebenfalls einen Anstieg des Gasdrucks innerhalb des
abgedichteten Gehäuses 12 herbeiführen, es wird aber keinen Druckanstieg ohne vorhergehenden
Temperaturanstieg geben.
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In der zweiten Situation, im Falle eines langsamen Temperaturanstiegs,
wird nach der Erfindung eine "einmalige" thermische Schutzvorrichtung 34 und eine
Aluminiumfolie 38 verwendet. Das Aluminium wird um den Kondensatorteil 16
gewickelt, wobei es nur an einem abgewinkelten (Eng: shooped) Rand einen Kontakt
gibt, und dient dazu, die durch den Kurzschluß erzeugte Wärme in den Kondensatorteil
16 zu reflektieren, und zwar in Richtung des Kerns 17. Durch diese Konzentration der
reflektierten Wärme, wird die innerhalb des Kerns 17 vorgesehene thermische
Schutzvorrichtung 34 wirksam bevor eine Beschädigung des Kondensators 10 ein Zerreißen
des Gehäuses 12 herbeiführen kann.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt die Sicherung und die thermische
Schutzvorrichtung in Reihe mit dem Kondensatorteil um das breite Spektrum etwaiger
Fehlermoden zu bestreichen, die bei einem Ballastkondensator mit hoher
Entladungsintensität auftreten können. In anderen Situationen, wird entweder die Sicherung oder
die thermische Schutzvorrichtung aktiviert und da sie in Reihe liegen, wird die
Schaltungsanordnung durch Unterbrechung nur einer Leitung unterbrochen. Da nach der
vorliegenden Erfindung lieber eine Sicherung als eine derartige Membran verwendet
wird, die bei Druckausübung einen Kontakt unterbrechen wird, werden die starken
Stromstöße, die normalerweise innerhalb eines fehlerhaften Metallfolienkondensators
Gase erzeugen würden, die Sicherung auslösen bevor die Gase sich ansammeln und ein
Zerreißen oder eine andere Art von Bruch des Gehäuses 12 verursachen. Es kann keine
wiederkehrende Spannung auftreten und der Kondensator wird innerhalb des Gehäuses
bleiben, weil die Unterbrechung der Schaltungsanordnung vor einer etwaigen
Zerstörung des Gehäuses auftreten wird. Die Spannungsunterbrechung wird also auftreten
bevor eine stellenweise Überhitzung, ein Zerschmelzen von Kunststoff oder eine
übermäßige Ausdehnung von Gasen auftreten wird. Durch die Kombination einer
Sicherung und einer thermischen Schutzvorrichtung wird ein vollständiges Schutzsystem
verwirklicht, das alle Aspekte eines durch Kurzschluß verursachten Fehlers bestreicht.
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Die Tabelle 1 zeigt eine teilweise Aufreihung von Kondensatortypen,
bewertet nach Mikrofarad und mit der ungefähren Amperzahl, bei der die Sicherung
zwecks einer effektiven Schutzwirkung ausgelöst werden soll. Einige dieser
Kondensatoren können Entladewiderstände aufweisen.
TABELLE 1
Kondensator uF Bewertete Spannung -V Sicherung Amp
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Die "einmalige" thermische Schutzvorrichtung wird den Strom
unterbrechen, wenn die innere Temperatur den Wert von etwa 117ºC erreicht hat. Die Werte
der Tabelle 1 und der thermischen Schutzvorrichtung sind effektiv entsprechend allen
zur Zeit bekannten UL-Normen. Die thermische Schutzvorrichtung soll einen Wert
zwischen etwa der maximal bewerteten Betriebstemperatur des Kondensators und der
maximalen Bewertung der Kondensatormaterialien aufweisen.
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Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
elektrischen Schaltplans. Es sei bemerkt, daß wegen der Tatsache, daß die Sicherung 30,
der Kondensatorteil 16 und die thermische Schutzvorrichtung 34 in Reihe geschaltet
sind, die Reihenfolge dieser Schaltungselemente in der Schaltungsanordnung ohne
Beeinträchtigung der Wirkung geändert werden kann.
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Der geschützte Fehlerunterbrecher nach der Erfindung weicht wesentlich
ab von dem Stand der Technik und bietet dem gegenüber viele Vorteile. Da der
Kondensator einen breiten Bereich von Betriebsverhältnissen hat, insbesondere in bezug
auf den hindurchgehenden Strom, dient dieser geschützte Fehlerunterbrecher dazu, den
Kondensator gegen eine Vielzahl etwaiger Fehlermoden zu schützen. Die Kombination
des thermischen und elektrischen Schutzes, wie hier beschrieben, stellt einen
wesentlichen Fortschritt dar, Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Der erfindungsgemäße
Fehlerunterbrecher verwendet nur normale Verbindungen; es sind keine
Spezialverbindungen erforderlich. Es ist eine äußerst einfache innere Einrichtung. Es sind keine
wesentlichen Änderungen am Kondensatorgehäuse erforderlich. Das Gehäuse erfordert
keine spezielle hermitische Abdichtung. Und die Einrichtung arbeitet mit einem völlig
eingekapselten Wickel, ohne daß es dabei erforderlich ist, zum Unterbrechen einer
Schaltungsanordnung die Gehäuseabmessungen zu ändern.