DE399479C - Elektrisches Relais, insbesondere zur Abschaltung von Kurzschlussstroemen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN
AM 23. JULI 1924

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE

(S 6159g VIII/stc*)

Patentiert im Deutschen Reiche vom 9. Dezember 1922 ab.

Es sind selbsttätige Schalteinrichtungen bekannt, deren bewegende Kraft durch die Wechselwirkung eines Magnetfeldes und eines stromdurchflossenen Leiters entsteht. Der Stromfluß in diesem wird durch Transformation eines anderen Stromes gewonnen, welcher sich unter den für die .Auslösung vorgesehenen Umständen ändert. Im folgenden soll das die bewegende Kraft hervorbringende Feld als »Arbeitsfeld« und der mit diesem Feld zusammenwirkende Strom als »Arbeitsstrom« des Relais bezeichnet werden. Während bei bekannten Anordnungen das Arbeitsfeld " und das die obenerwähnte Transf orma- tion vermittelnde Feld voneinander getrennt sind, werden nach der vorliegenden Erfindung beide Felder miteinander vereinigt. An Stelle eines Magnetfeldes könnte hierbei auch ein anderes Kraftfeld verwendet werden, das transformaforische Wirkungen hervorbringen kann und in Wechselbeziehung mit einem Strome eine bewegende Kraft ergibt; dies trifft z. B. auch für ein elektrisches Kraftfeld zu.

Die Abb. 1 und 2 stellen eine im wesentliehen bekannte Anordnung und die grundsätzliche Anordnung einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes einander gegenüber. Nach Abb. 1 wird die bewegende Kraft des Relais durch die Wechselwirkung zwisehen dem in einem Leiter 4 fließenden Strom und dem Magnetfeld 6 hervorgebracht. Der im Leiter 4 fließende Arbeitsstrom des Relais wird durch Transformation aus idem Strome der Leitung 1 gewonnen. Die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 5 des Transformators sind durch ein Feld 3 miteinander gekoppelt, idas vom Arbeitsfeld 6 getrennt angeordnet ist. Nach der in Abb. 2 wiedergegebenen Erfindung bildet dagegen das die Transformation vermittelnde Feld 3 zugleich das Arbeitsfeld 6. Nimmt man an, daß die Kraftlinien des Feldes 6 parallel zur Bildebene verlaufen und der Leiter 4 in dieser liegt, so bewirkt ein im Leiter 4 fließender Strom eine Verdrehung des Leiters aus der Bildebene, die zur Auslösung von Schaltvorgängen verwertet werden kann. Ist die δε

Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Alfred Grabner in Wien.

kundärwicklung 5 des Transformators 2, 5 mit dem Leiter 4 starr verbunden, so bewirkt dessen Verdrehung zugleich eine Änderung des Kopplüngsgrades im transformierenden System, und man wird zweckmäßig die Anordnung so treffen, daß der Kopplungsgrad in der Endstellung des beweglichen Relaisteiles kleiner ist als in dessen Anfangsstelliinii. Dies hat den Vorteil, daß sich der bewegliche Teil nach Zurücklegung eines gewissen Weges nicht übermäßig weiter beschleunigen und daher am Ende des Auslösevorganges leichter aufgehalten werden kann. Der Leiter 4, 5 wird bei der dargestellten Anordnung· einer Gleichgewichtslage zustreben, bei der die einander entgegenwirkenden Drehmomente zwischen dem Felde 3, 6 einerseits und den beiden Leiterteilen 4 und 5 anderseits gleich groß sind. Die Bildebene des Leiters 5 ist daao hei senkrecht stehend zur Bildebene des Leiters 4 zu denken. Durch Beeinflussung der Leitfähigkeit des Kraftlinienweges 3, 6 kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung verschieden eingestellt werden.

Bei entsprechender Anordnung der aufeinander einwirkenden Stromkreise stellt sich der Bewegungsvorgang als eine gegenseitige Abstoßung zwischen den Spulen 2 und 5 dar, die als elektrodynamische Repulsion bezeichnet wird.

Das Relais soll nur durch nicht stationäre Stromänderungen in Tätigkeit kommen, dagegen durch die betriebsmäßigen stationären Ströme und deren Änderungen unbeeinflußt bleiben. Um letztere daher von der Wirkung auf das Relais auszuschließen, wird dieses bei zulässigen Werten des Relaisstromes durch eine Haltekraft in der Ruhestellung verriegelt, die der Relaisstrom im stationären Zustände selbst hervorbringen kann. Die Halte- j kraft kann entweder auch während des Bewegungsvorganges unvermindert weiter bestehen, aber durch die bewegende Kraft überwunden werden, sie kann aber auch bei oder nach Beginn des Bewegungsvorganges verringert oder zum Verschwinden gebracht werden. Da die Haltekraft durch einen elektrischen vStrom hervorgebracht wird, so läßt sie sich leicht durch von der Relaisbewegung gesteuerte Schaltvorgänge in der gewünschten Weise regeln.

Wenn der bewegliche Teil des Relais die ■ erforderliche Beschleunigung erhalten hat, kann vorteilhaft der Arbeitsstrom unterbrochen werden. Damit sich die beiden Leiterteile 4, 5 der Anordnung nach Abb. 2 nicht durch entgegengesetzte Kraftwirkungen gegenseitig hemmen, wird der gekoppelte Leiter zweckmäßig in einen ortsfesten Teil 5 und einen beweglichen Teil 4 zerlegt. Diese beiden Teile können durch biegsame Leitungen oder Schleifkontakte auch während des Bewegungsvorganges miteinander leitend verbunden bleiben, sie können aber auch durch den Bewegungsvorgang voneinander getrennt werden, wodurch zugleich die eben erwähnte Stromunterbrechung bewirkt wird.

Eine wertvolle Anwendung des beschriebenen Relais ergibt sich durch dessen Vereinigung mit einer Schaltvorrichtung zu einem Schnellschalter für die Abschaltung von Kurzschlüssen an elektrischen Maschinen, besonders Einankerumfonnern. Das Relais betätigt hierbei den Unterbrechungsschalter mit einer dem zu unterbrechenden Strome annähernd proportionalen beschleunigenden Kraft. Die Abschaltung erfolgt also um so kräftiger und rascher, je stärker der Kurzschlußstrom ist. Das bewegliche Element des Relais ist am besten mit dem beweglichen Teile des Unterbrechungsschalters starr verbunden, es kann aber auch auf einen vom Relais getrennte!; : Schalter einwirken. -

Die Abb. 3 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines solchen Schalters im K,retizriß. Aufriß und Grundriß. Abb. 3 stellt einen Schnitt nach der Linie a-b der Abb. 4 dar. Ein E-förmiges Magnetgestell 7 trägt eine von dem zu unterbrechenden Strome durchflossene Erregerwicklung 2, die der Spule 2 der Abb. 1 und 2 vollkommen entspricht. Die Wicklung 2 ist der Deutlichkeit halber nur im Aufriß Abb. 4 eingezeichnet. Ein U-förmiges Schaltmesser 8 verbindet in der Schlußstellung die Kontaktfedern 9 und 10 und liegt in Reihe mit der Spule 2. Der zu unterbrechende Strom durchfließt den Apparat von der Klemme 11 über die Spule 2, die Kontaktfeder 9, das Schaltmesser 8, die Kontaktfeder 10 bis zur Klemme Γ2. Er ist zugleich der Relaisstrom, und das durch ihn im Magnetgestell 7 erzeugte Feld ist das vereinigte Kopplungs- und Arbeitsfeld 3, 6 im Sinne der Abb. 2. Das Schaltmesser oder die Kontaktbrücke 8 ist mit der Achse 13 in den Lagern 14 drehbar gelagert. Mit dem Schaltmesser ist ein Kurzschlußring 4 starr verbunden, der im Ruhezustande den Kraftfluß des mittleren Gestellschenkels umfaßt und den Bereich des Kraftflusses durch die beiden Luftspalte 15 fies Gestells 7 verlassen kann. Das Schaltmesser 8 ist in den Luftspalten 15 so angeordnet, daß die Richtung des stationären Stromes im Schälmesser, dessen Bewegungsrichtung beim öffnen des Schalters und die positive Kraftflußrichtung ein Rechtssystem bilden. Das Schaltmesser wird daher im stationären Stromzustande nach abwärts gedrückt, ist also in der Schlußstellung verriegelt. Tritt nun eine heftige Stromänderung auf, wie dies bei Kurzschlüssen der Fall ist, so wird gleichzeitig im Kurzschluß-

Claims (18)

1. Patent-Ansprüche:

   ι. Elektrisches Relais, insbesondere zur Abschaltung von Kurzschlußströmen, clessen bewegende Kraft durch die Wechselwirkung eines Kraftfeldes (Arbeitsfeld) und eines Arbeitsstromes entsteht, der durch Transformation aus einem unter den für die Auslösung vorgesehenen Umständen sich ändernden Strome gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das die Transformation vermittelnde Feld zugleich das Arbeitsfeld des Relais bildet.
2. 2. Ausführungsform nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisbewegung den Kopplungsgrad des transformierenden Systems »beeinflußt.
3. 3. Ausführungsform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsgrad des transformierenden Systems in der Endstellung des beweglichen Relaisteiles kleiner ist als in dessen Anfangsstellung.
4. 4. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element des Relais ein in sich geschlossener Leiter ist, der vom auslösenden Strom durch elektrodynamische Repulsion bewegt wird.
5. 5. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Relaisstrom im stationären -Zustande im Relais eine Haltekraft hervorruft, die dieses in der Ruhestellung verriegelt.
6. 6. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 5, deren Arbeitsstromkreis aus einem ortsfesten und einem an der Relaisbewegung teilnehmenden Teile besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste und der bewegliche Teil während des Bewegungsvorganges miteinander leitend verbunden bleiben.
7. 7. Kurzschlußunterbrecher nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais einen von ihm getrennten Unterbrechungsschalter betätigt.
8. 8. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein von · dem zu unterbrechenden Strome erregtes Magnetgestell und einen oder mehrere mit dem Schalthebel oder der Kontaktbrücke verbundene Kurzschlußringe, die im Ruhezustande den Kraftfluß des Magnetgestells umfassen und seinen Bereich durch ini Magnetgestell vorgesehene Luftspalte verlassen können.
9. 9. Ausführungsform nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Relaisfeldes z. B. mit Hilfe eines oder" mehrerer veränderlicher Luftspalte im Magnetgestell regelbar ist.
10. 10. Ausführungsform nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalthebel isoliert den beweglichen Teil des Kurzschlußringes trägt.
11. 11. Ausführungsform nach Anspruch 8 unrl 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalthebel selbst einen Teil des Kurzschlußringes bildet.
12. 12. Ausführungsform nach Anspruch S und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der stromdurchflossene Schalthebel oder das Schaltmesser in einem Luftspalt des Magnetgestells so angeordnet ist, daß die Richtung des stationären Stromes im Schalthebel, dessen Bewegungsrichtung beim öffnen und die positive Kraftflußrichtung ein Rechtssystem bilden.
13. 13. Ausführungsform nach Anspruch 8 bis 11, gekennzeichnet durch einen besonderen im Einschaltsinne wirkenden Haltemagnet.
14. 14. Ausführungsform nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zu unterbrechenden Strome erregte Haltemagnet durch starke Sättigung daran gehindert ist, bei Kurzschluß seine Kraft wesentlich zu erhöhen.
15. 15. Ausführungsform nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem zu unterbrechenden Strome erregte Haltemagnet einen Kurzschlußring (23, Abb. 9) trägt, der eine Erhöhung der Kraftlinienzahl und damit der Haltekraft . bei plötzlichen Änderungen des zu unterbrechenden Stromes hindert.
16. 16. Ausführungsform nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltemagnet von einer bei Eintreten eines Kurzschlusses stark abfallenden Spannung erregt wird.
17. 17. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Relais oder des Schalters am Ende seines Hubes durch eine Brems- !05 einrichtung verzögert wird.
18. 18. Ausführungsform nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein Bremsband, das über eine auf der Drehachse des Schalthebels angeordnete Exzenterscheibe n₀ geschlungen ist und durch diese im Verlaufe der Schaltl-ewegung gespannt wird.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

    ringe 4 ein entgegengesetzter Strom induziert, dessen Amperewindungen die der Spule 2 aufheben müssen. Der Kraftfluß 3, 6 bleibt hierbei im wesentlichen unverändert, er ändert sich nur so weit, als zur Tnduktion einer den Strom im Kurzschlußringe 4 aufrechterhaltenden E. M. K. notwendig ist. Die entgegengesetzt gerichteten Ströme in den Leitern 2 und 4 bewirken eine Abstoßung des letzteren. Dieser wird aus dem Bereich des Kraftflusses 3, 6 herausgeschleudert und reißt hierbei das Schaltmesser 8 mit. Die Kontakte 9 und 10 werden daher mit großer Schnelligkeit unterbrochen. Der Leiter 4 unterliegt, während er die Luftspalte 15 durcheilt, der beschleunigenden Wirkung des Kraftflusses 3, 6 wie ein Ankerleiter eines Elektromotors. Während der Bewegung nimmt die Zahl der Kraftlinienverkettungen zwischen dem Kraftfluß und dem gekoppelten Leiter 4 ab, es verringert sich also der Kopplungsgrad zwischen den Leitern 2 und 4.

    Der bewegliche Teil des Relais oder Schalters nimmt während des Schaltvorganges eine beträchtliche lebendige Kraft an, und es ist untunlich, ihn auf ein festes Widerlager auffallen zu lassen. Es wird deshalb die Bewegung am Ende des Hubes durch eine Bremseinrichtung verzögert. I'm eine allmählich ansteigende Bremswirkung hervorzubringen, sind auf der Drehachse 13 des .Schaltmessers exzentrische Scheiben rf) vorgesehen, um die Bremsbänder 17 geschlungen sind. Die Bremsbänder werden während der Dfehung der Scheiben durch diese gespannt und entwickeln daher einen mit fortschreitender Bewegung wachsenden Widerstand.

    Die bei der Besprechung der Abb. 2 liehandelte Beeinflussung des Kraftfeldes durch Veränderung der Leitfähigkeit seines Kraftlinienweges läßt sich hier in an sich bekannter Weise durch Anordnung eines oder mehrerer regelbarer Luftspalte im Magnetgestell leicht ermöglichen.

    Der Kurzschlußring 4 kann auch nach Abb. 6 mit dem Schaltmesser 8 zu einem einzigen elektrisch nicht unterteilten Körper vereinigt sein. Das Schaltmesser bildet also selbst einen Teil des Kurzschlußringes. Die Abb. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsheispiel, bei dem der gekoppelte Leiter aus einem ortsfesten Teil 5 und einem beweg- ' liehen Teil 4 besteht. Dieser ist isoliert am '. Schalthebel oder Schaltmesser 8 befestigt und wird mit diesem bei Auftreten eines Kurzschlußstromes aus dem Luftspalt 15 des ; Magnetgestell 7 herausgeschleudert. Das Schaltmesser 8 unterbricht hierbei einen Stromkreis 18 an den Kontakten ο und 10. Die Lagerung oder Führung des Schaltmessers ist in diesen Abbildungen nicht eingezeichnet. Der Stromkreis 18 ist hier nicht mit dem Kreise des auslösenden Stromes identisch. Es ist z.B. an eine Anordnung gedacht, bei der ein Kurzschluß im Haupt- ^ Stromkreise 1 eines Generators durch den Kurzschlußschalter den Erregerkreis 18 des Generators unterbricht.

    Abb. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem besonderen im Einschaltsinne wirken- ; j den Haltemagnet 19,,20 zur Verriegelung des Schalters im Ruhezustande. Der Anker 19 des Magnets ist durch eine Stange 21 mit der Kontaktbrücke 8 verbunden. Der Magnet wird durch den Relaisstrom mittels der Spule 22 erregt. Damit bei Kurzschluß nicht die Magnetkraft stark ansteigt und das öffnen des Schalters erschwert, ist der Magnet entweder schon bei normalem Strome stark gesättigt, oder er trägt einen Kurzschlußring 23. der rasche Stromänderungen in der Spule 22 \ kompensiert ιΐπ.-I eine Erhöhung der Kraft-

    ■ linienzahl des Magnets hindert. Es kann

    ■ eine schwache Feder 24 vorgesehen sein, die im normalen Betrieb bei schwachen Strömen den Schluß des Schalters sichert. Der Ma-

    , gnet kann auch von einer hei Eintreten eines Kurzschlusses stark abfallenden Spannung erregt werden, so daß die Haltekraft dann, wenn der Schalter in Tätigkeit treten soll, ab- go nimmt und die Schalterbewegung auch l>ei ihrem Beginne nicht hemmt. Der Kurzschlußring 4 ist bei der vorliegenden Anordnung mit der Kontaktbrücke 8 durch isolierende Bügel 25 verbunden.

    Bei allen Ausführungsformen sind geeignete Haltevorrichtungen, Klinken u. dgl. anzubringen, die ein Zurückfallen des Schalthebels aus der geöffneten Stellung hindern En der Ausführungsform nach den Abb. 3 ioj bis 5 erfüllen schon die Bremseinrichtungen 16, 17 diesen Zweck.

    Die beschriebenen Schnellschalter lassen eine vielseitige Anwendung zu. Sie können in elektrolytischen Betrieben an Stelle der zu langsam abschaltenden Sicherungen eingebaut werden, sie sind in allen Anlagen mit starrer Spannungscharakteristik neben der gewöhnlichen Überstromsicherung als weiterer Schutz gegen die Folgen von Kurzschlüssen verwendbar. Sie können ferner im Erregerkreise großer Wechselstramgeneratoren zu deren Aberregung bei Kurzschlüssen dienen. Es wäre z. B. die Anordnung nach den Abb. 7, 8 mit der Spule 2 in den Erregerkreis des Wechselstromgenerators einzuschalten, während der Schaltmesser 8 mittels der Leitungen 18 zu einem Widerstände im Erregerkreise der Erregermaschine des Generators parallel gelegt wird. Einem Kurzschluß c auf der Wechselstromseite folgt daher sehr rasch die Schwächung der Erregung.