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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Niederspannungs-Lastschalter
mit verbesserten Funktionen und Eigenschaften; ausdrücklicher
gesagt wird der Ausdruck "Niederspannungs-Lastschalter" verwendet, um sich
auf einen Lastschalter für
Anwendungen mit Betriebsspannungen unter 1000 Volt zu beziehen.
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Im
Allgemeinen werden in industriellen elektrischen Niederspannungssystemen,
bei denen hohe Ströme
und daher hohe Leistungsniveau auftreten, spezifische Geräte, die
im Stand der Technik üblicherweise
als automatische Lastschalter gekannt, normalerweise verwendet.
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Die
Lastschalter, die typischerweise mit Wechselströmen arbeiten, deren Nennbetriebslasten gemäß den Anwendungen
in einem großen
Bereich, typischerweise von ein paar Hundert zu mehreren Tausend
Ampere, schwanken können,
werden entworfen, um bestimmte Leistungen zu gewährleisten, die erforderlich
sind, um den richtigen Betrieb des elektrischen Stromversorgungs-Schaltkreises,
den sie schützen,
und der mit ihm verbundenen Lasten zu sichern.
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Im
Besonderen schützen
sie die Lasten vor abnormen Ereignissen, die z.B. durch Kurzschlüsse oder Überlasten
verursachte Funktionsstörungen verursacht
werden, durch automatische Öffnung
des Stromversorgungs-Schaltkreises; sie erlauben die korrekte Einfügung/Ausschluss
von Lasten in/von dem elektrischen Stromversorgungs-Schaltkreis;
sie stellen sicher, dass der Nennstrom für die verschiedenen angeschlossenen
Verbraucher tatsächlich dem
erforderlichen Strom entspricht, und erlauben, durch manuellen Eingriff über einen
Bedienhebel des Lastschalters und durch entsprechende Trennung der
beweglichen Anschlüsse
von den festen Anschlüssen,
die komplette Isolierung einer Last von einer Stromversorgungsquelle
und die folgende Trennung des von ihnen geschützten Schaltkreises. Diese Lastschalter
werden konzipiert, um diese Leistung ebenso wie andere Eigenschaften
für eine
angestrebte Nutzungsdauer zu sichern; im Besonderen definieren Hersteller,
gemäß der Vorschriften
der anwendbaren Standards, eine mechanische Lebensdauer des Lastschalters,
verstanden als die Anzahl von Öffnungs/Schließbewegungen,
die der Lastschalter in Abwesenheit eines Stroms ausführen kann,
und eine elektrische Lebensdauer, verstanden als die Anzahl von Öffnungs/Schließschalthandlungen,
die er in Gegenwart eines der erforderlichen Nennlast entsprechenden
Strom ausführen
kann.
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Zur
Zeit gibt es einige konstruktive Lösungen für Niederspannungs-Lastschalter,
die hauptsächlich zwei
Techniken zur Stromabschaltung verwenden: nämlich, eine erste Technik,
Luft-isolierte Abschaltung genannt, in der die Kopplung/Entkopplung
der Anschlüsse
in der Luft bei Raumtemperatur und Raumdruck geschieht; und eine
zweite Technik, vakuumisolierte Technik genannt, in der die Kopplung/Entkopplung
der Abschlüsse
in einer Vakuumumgebung geschieht. Bei beiden Abschaltungsmethoden
geschehen die Öffnungs/Schließschalthandlungen
durch Verwendung geeigneter Betätigungsgeräte, die
wirkend mit den beweglichen Anschlüssen des Lastschalters verbunden
werden und Energie liefern, die gebraucht wird, um die beweglichen
Anschlüsse
zu bewegen und ihre Kopplung/Entkopplung mit den entsprechenden
festen Anschlüssen
hervorzurufen.
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In
dem gegenwärtigen
Stand der Technik bestehen die verwendeten Betätigungsgeräte allgemein aus Betätigungsgeräten des
mechanischen Typs, die zweckdienliche federbelastete kinematische
Systeme verwenden. Ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 ist z.B. aus EP-A-0 867 903 bekannt. Die Verbindung der Betätigungsgeräte mit den
zwei verwendeten Abschaltungsmethoden bringt auf jeden Fall einige
Nachteile mit sich, obwohl sie ausreichende Ausführung der vom Lastschalter erforderten
Funktionen erlaubt.
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Im
Besonderen haben Lastschalter mit Luft-isolierter Abschaltung und
mechanischer Betätigung
eine mechanische Lebensdauer, die von ein paar Tausend bis maximal
ein paar Zehntausende Schalterhandlungen schwanken kann, und eine
erheblich kurzere elektrische Lebensdauer, die hauptsächlich auf
die Bildung starker elektrischer Bogen zurückzuführen ist, die die Anschlüsse erheblich
verschlechtern. Im Fall der Verbindung der mechanischen Betätigung mit
der Vakuumabschaltungsmethode wird die elektrische Lebensdauer beträchtlich verlängert und
erreicht praktisch dieselbe Größenordnung
wie die mechanische Lebensdauer. In beiden Fällen, um die angestrebte mechanische
Lebensdauer sicherzustellen, ist es aber notwendig, einen komplizierten
Wartungsplan während
der Benutzung des Lastschalters zu programmieren und richtig durchzuführen, um
die durch Abnutzung und Alterung, die für mechanische Systeme typisch
sind, verursachten Schwankungen auszugleichen. So ein Wartungsplan
erzwingt offensichtlich die Entfernung des Lastschalters vom aktiven
Betriebseinsatz, die Verwendung von Arbeitskraft und den folgenden
Aufwand von Zeit und Geld, und ist besonders lästig bei allen Anwendungen,
in denen es wesentlich ist, Schutz vor unerwarteten Abschaltungen,
wie z.B. in der verarbeitenden Industrie zu gewährleisten.
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Es
sollte auch beachtet werden, dass Betätigungsgeräte mit federbelasteten kinematischen
Systemen von Natur aus kompliziert und sperrig sind; das Niveau
der mechanischen Energie, die sie entwickeln müssen, ist proportional zu dem
verschiedenen Niveau der elektrischen Leistung des Lastschalters, in
dem sie verwendet werden, z.B. Betätigungsleistung für Kurzschlüssen, Nennstrom,
undsoweiter, und erfordert lange und komplizierte Prüfungs- und Eichungsoperationen.
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Die
der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist, einen
Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, der eine längere Nutzungsdauer
als bekannte Lastschaltertypen hat, und gleichzeitig erlaubt, die
zur Gewährleistung
der Nutzungsdauer erforderlichen Wartungsmaßnahmen völlig auszuschließen oder
zumindestens erheblich zu reduzieren.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung innerhalb dieser Aufgabenstellung
ist einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen, dessen Nutzungsdauer
erheblich länger
ist als Lastschalter im Stand der Technik und im Besonderen diejenigen, deren
mechanische und elektrische Lebensdauer maximiert wird und im Wesentlichen
dieselben Werte haben.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen,
dessen konstruktiver Aufbau wesentlich unkomplizierter als bekannte
Lastschaltertypen ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist einen Niederspannungs-Lastschalter bereitzustellen,
der sehr zuverlässig,
relativ einfach herzustellen und kostengünstig ist.
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Diese
Aufgabe, diese Ziele und hiernach deutlich werdende andere werden
durch einen Niederspannungs-Lastschalter mit einem Vakuumgehäuse, das
mindestens einen festen Anschluss und mindestens einen beweglichen
Anschluss umfasst, die entsprechend einem angeschlossenen/offenen Zustand
des Lastschalters gegenseitig gekoppelt/entkoppelt werden kann,
und Betätigungsmittel, die
wirkend mit dem beweglichen Anschluss verbunden sind und die zum
Bewegen des beweglichen Anschlusses und zum Bestimmen seiner Kopplung/Entkopplung
hinsichtlich des festen Anschlusses benötigte Energie liefern, gelöst, wobei
der Niederspannungs-Lastschalter dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Einschaltmittel einen elektromagnetischen Aktuator umfassen.
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Auf
diese Weise wird durch Verwendung eines Betätigungssystems des elektromagnetischen Typs
und durch Ausführung
der Öffnungs/Schließschalthandlungen
in Vakuum der zweifache Vorteil erhalten, dass die Nutzungsdauer
des Lastschalters erheblich verlängert
wird und gleichzeitig die erforderlichen Wartungsmaßnahmen
während
der Verwendung des Lastschalters ausgeschlossen oder zumindest erheblich
reduziert werden; der Aktuator des elektromagnetischen Typs ist
in Wirklichkeit praktisch frei von den Abnutzungs- und Alterungsproblemen, die
typisch für
mechanische Aktuatoren sind.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der
Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters,
als nicht begrenzendes Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators ist,
der im erfindungsgemäßen Lastschalter
verwendet werden kann.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst der allgemein mit
Bezugszeichen 100 bezeichnete erfindungsgemäße Niederspannungs-Lastschalter
ein Gehäuse 1, das
in Vakuum ist und mindestens einen festen Anschluss 7 und
mindestens einen beweglichen Anschluss 6 umfasst. Im Besonderen
kann das Vakuumgehäuse 1,
welches die Abschaltungskammer des Lastschalters bildet, von einer
zweckmäßig geformten
Glühbirne
gebildet werden, innerhalb welcher das Vakuum gehalten wird; die
Ausführungsform
der Glühbirne
und die Art und Weise, das Vakuum innerhalb der Glühbirne zu
halten, sind dem Fachmann bekannt und werden folglich nicht weiter beschrieben.
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Der
feste Anschluss 7 wird durch ein herkömmliches Leitmittel 4,
z.B. einen Kupferstab, elektrisch an einen Verbraucher (nicht gezeigt)
angeschlossen; wiederum wird der bewegliche Anschluss 6 durch
ein Leitmittel 5 elektrisch an ein Stromversorgungsleitung
(auch nicht in den Figuren gezeigt) angeschlossen. Das Leitmittel 5 kann
aus einer Vielzahl von flexiblen Metallbändern gebildet werden, die
zusammengepackt und an den gegenüberliegenden Enden
perforiert werden, um Mittel für
die Verbindung mit dem beweglichen Anschluss 6 und der
Stromversorgungsleitung aufzunehmen. Wie schematisch in 1 gezeigt,
gemäß einer Lösung, die
strukturell einfach und funktionell effektiv ist, werden die Metallbänder angeordnet,
um im Wesentlichen eine U-förmige
Kurve zu bilden. Falls ein Kurzschlusszustand auftritt, werden auf
diese Weise die zwei Arme der U-förmige Kurve von zwei Kräften beeinflusst,
die derart in der entgegengesetzten Richtung orientiert sind, dass
sie die Abstoßkräften entgegenwirken, welche
während
eines Kurschlusses erzeugt werden und dazu neigen, die Anschlüsse voneinander
zu trennen. Auf diese Weise ermöglichen
die Bänder, die
Anschlüsse
für einen
kurzen Anfangszeitabstand des Kurzschlusses geschlossen zu halten,
während welchem
z.B. ein anderer möglicherweise
im Stromversorgungsnetz enthaltener Lastschalter eingreifen kann,
um unzeitigen Eingriffen und die Deaktivierung von Verbraucher zu
vermeiden, die stattdessen mit einem korrekten Betrieb fortfahren
können.
Sobald diese Zeitintervall abgelaufen ist, trennen die Anschlüsse, falls
keine anderer Lastschalter (wenn vorhanden) eingegriffen hat.
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Die
Bewegungen, um den Lastschalter 100 zu öffnen schließen, werden
durch Bewegen des beweglichen Anschlusses 6 vorgenommen,
um sein Eingreifen/Lösen
hinsichtlich des entsprechenden festen Anschlusses 7 zu
erzeugen; die zur Durchführung
dieser Schalthandlungen erforderliche Energie wird von geeigneten
Betätigungsmitteln
geliefert, die wirkend mit dem beweglichen Anschluss 6 kraft
einer allgemein mit Bezugszeichen 3 in 1 bezeichneten
kinematischen Kette verbunden werden. In der in der 1 gezeigten
Ausführungsform
wird der Einfachheit der Beschreibung halber nur ein einziger Pol des
Lastschalters 100 gezeigt.
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In
der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Niederspannungs-Lastschalters
umfassen die Betätigungsmittel
einen elektromagnetischen Aktuator 2; die Verwendung eines
Aktuators dieses Typs erlaubt, die Nutzungsdauer des Lastschalters erheblich
zu verlängern,
da er die für
Aktuatoren des mechanischen Typs typischen Probleme der möglichen
Abnutzung und/oder Beschädigung
nicht hat, und insbesondere erlaubt, die elektrische Nutzungsdauer
des Lastschalters praktisch gleich zu seiner mechanischen Nutzungsdauer
zu machen. Darüber hinaus stellt
der elektromagnetische Aktuator die richtige Ausführung der Öffnungs/Schließungsbewegungen
des Lastschalters sicher ohne irgendwelche Wartungsmaßnahmen
während
seiner Nutzungsdauer oder mindestens für eine erhebliche Anzahl von
Schalthandlungen zu erfordern. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der elektromagnetische Aktuator 2 ein Dauermagnet-elektromagnetischer Aktuator.
Eine denkbare Ausführungsform
des Dauermagnet-Aktuators 2 wird in der europäischen Patentanmeldung
Nr. 97 203 501.8 beschrieben, deren Beschreibung durch Bezugnahme
hierin aufgenommen wird. Der Dauermagnet-Aktuator 2, insbesondere
wie in 2 gezeigt, umfasst ein Magnetjoch 10, einen
Anker 30, der sich innerhalb des vom Joch 10 gebildeten
Raums bewegen kann, und eine Drehachse 20, die am Anker 30 befestigt
wird und geeignet ist, die Bewegung zur kinematischen Kette 3 und
damit schließlich
zum beweglichen Anschluss 6 zu übertragen.
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Der
bewegbare Anker 30 kann auf verschiedene Weise gemäß der Anwendungen
und/oder spezifischen Anforderungen geformt werden und monolithisch
bereitgetellt und aus ferromagnetischem Material oder mittels einer
Vielzahl von gestapelten magnetischen Blechen hergestellt werden.
Wiederum besteht das Joch 10 aus zwei mit Bezugszeichen 40 und 50 jeweils
bezeichneten Kernteilen, die ein E-förmiges Profil haben und auf
eine geeigneten Träger, nicht
gezeigt, montiert werden, so dass sich zwei jeweils mit Bezugszeichen 18 und 19 bezeichnete
Luftlücken
zwischen ihnen bilden. Zwei jeweils mit Bezugszeichen 26 und 27 bezeichnete
Dauermagnete werden auf den gegenüberliegenden Oberflächen der
zwei Zwischenarme 13 und 23 der Kerne 40 und 50 montiert;
darüber
hinaus werden zwei Anregungsspulen 44 und 45 in
dem zwischen den Zentralenarmen 13 und 23 und
den zwei jeweils mit Bezugszeichen 41 und 22 bezeichneten
Endarme der Kerne 40 und 50 gebildeten Raum angeordnet.
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Falls
es in der Praxis notwendig ist, den Lastschalter zu öffnen oder
zu schließen,
wird eine der zwei Spulen, z.B. die Spule 44, je nach dem
Typ des durchzuführenden
Manövers,
elektrisch erregt; Die Erregerenergie wird zur Spule 44 durch eine
mit Bezugszeichen 8 in 1 schematisch
bezeichnete Stromversorgungseinheit geliefert, die vorzugsweise gemäß einer
einfachen, nicht sperrigen und wirkungsvollen Lösung, einen oder mehrere Kondensatoren
umfasst, welche entsprechend dimensioniert werden und durch das
Leitungsnetz oder durch eine Hilfselektrizitätsquelle mit Strom versorgt
werden. Die Stromversorgungseinheit 8 wird wirkend durch eine
elektrische Befehlseinheit 9 gesteuert, welche auch an
der Versorgungsnetz angeschlossen wird; die elektrische Befehlseinheit
löst den
Eingriff der Stromversorgungseinheit 8 nach einem Eingriffsbefehl
aus, der z.B. von einem Schutzsystem oder einem Operator stammt;
auf diese Weise entregen und erregen die Kondensatoren die Spule.
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Der
durch die elektrisch erregte Spule erzeugte Fluss erlaubt die durch
die Dauermagneten 26 und 27 auf den Anker 30 angewandte
Haltekraft zu überwinden
und seine Bewegung in Richtung der erregten Spule 44 hervorzurufen.
Auf diese Weise bewegt sich die Drehachse 20 translatorisch
und übermittelt
die Bewegung zu der kinematischen Kette 3. Wie schematisch
in 1 gezeigt, umfasst die kinematische Kette 3 zwei
Verbindungen 35 und 36, die die Bewegungen von
der Drehachse 20 zu einem Übertragungshebel 37 übermitteln;
der Übertragungshebel 37 ruft
durch Drehen um seinen Schwenkpunkt 38 die Bewegung einer
Kopplungsdrehachse 39 hervor, die starr daran gekoppelt
wird und mit dem beweglichen Anschluss 6 verbunden wird.
Auf diese Weise bewegt sich der letztere folglich, um die gewünschte Operation
auszuführen.
Offensichtlich kann die kinematische Kette 3 nach den Anwendungen
und/oder spezifischen konstruktiven Anforderungen entsprechend modifiziert
werden, z.B. durch Ändern
der Anzahl ihrer konstruktiven Komponenten, ihrer relative Anordnung
und/oder ihrer geometrischen Konfiguration. Sobald die Operation
ausgeführt
ist, wird die Spule 44 nicht mehr erregt und nehmen die
Dauermagneten wieder die Anwendung einer Haltekraft auf den Anker 30 auf,
um ihn in einem stabilen Gleichgewicht in der schon erreichten Position
zu halten. Eine Operation in umgekehrter Form hinsichtlich der oben
beschriebenen Umschaltung wird exakt dieselbe, aber auf umgekehrte
Weise durch Erregung, in diesem Fall, der Spule 45 bereitgestellt.
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Offensichtlich
erlaubt die Verwendung eines derartigen Aktuators die konstruktive
Architektur des Lastschalters hinsichtlich des Standes der Technik durch
Weglassen oder zumindestens erhebliches Reduzieren der Notwendigkeit
von Federn und/oder von anderen komplizierten und sperrigen Komponenten
erheblich zu vereinfachen. Die Tatsache sollte auch betont werden,
dass die Vakuumabschaltungstechnik nicht zu viel umschaltende Kräfte benötigt, damit
die Kombination der Abschaltungsmethode mit einem elektromagnetischen
Aktuator einen synergistischen Effekt hervorruft, der erlaubt, die
geometrische und Energiebemessung des Lastschalters in der Gesamtheit
weiter zu optimieren und Prüfung
und Eichungsoperationen auch zu reduzieren.
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Alternativ
ist es auch möglich,
einen elektromagnetischen Aktuator ohne Dauermagneten zu verwenden;
in diesem Fall muss jedoch der Aktuator mit einem System versehen
werden, das geeignet ist, um die Drehachse 20 in stabilem
Gleichgewicht in den Positionen, welche sie am Ende der Umschaltungsoperation
erreicht, zu halten, unterschiedlich von was bei Verwendung von
Dauermagneten geschieht, wobei diese Funktion automatisch und ohne Verwendung
von zusätzlichen
Komponenten geschieht.
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Der
Einfachheit der Beschreibung halber stellt 1 einen
einpoligen Lastschalter dar; die oben beschriebene Lösung kann
auf jeden Fall leichter und effizient in dem Fall eines mehrpoligen
Lastschalters ausgeführt
werden. In diesem Fall verwendet jeder Pol ein Vakuumgehäuse 1,
das mindestens einen festen Anschluss 6 und mindestens
einen beweglichen Anschluss 7 umfasst. Jeder bewegliche Anschluss 6 wird
wirkend an Betätigungsmittel
angeschossen, welche die zum Bewegen des beweglichen Anschlusses
und zum Bestimmen der Kopplung/Entkopplung gegenüber den entsprechenden festen
Anschlüsse
geforderte Energie liefern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird für
jeden Pol ein einziger elektromagnetischer Aktuator 2 vorgesehen,
der wirkend an den entsprechenden beweglichen Anschluss angeschlossen
wird. Auf diese Weise ist es möglich,
die Pole unabhängig
voneinander zu betreiben. Zum Beispiel ist es durch entsprechendes
Programmieren der elektronischen Befehlseinheit 9 möglich, eine
Strategie von Umschaltungsoperationen in Bezug auf die Phasen des
elektrischen Netzwerks, an dem der Lastschalter angeschlossen wird,
zu realisieren. Im Besonderen ist es möglich, Messmittel wie Messtransformatoren
zu verwenden, die Information über
die Strom- und/oder Spannungstendenz der Netzwerkphasen zu der Einheit 9 senden;
die Einheit 9 wiederum treibt auf Basis der erhaltenen
Informationen den Aktuator 2, um synchronisierte Operationen
für jede
Phase unabhängig von
den anderen durchzuführen.
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Diese
Lösung
bringt große
Vorteile hinsichtlich der Entfernung oder zumindestens erheblichen Reduzierung
von Spannungs- und Stromübergang im
Netzwerk, ebenso wie hinsichtlich Beschränkungen elektrodynamischer
und thermischer Beanspruchungen, mit erheblichen Folgeleistungen
für sowohl im
elektrischen Netzwerk anwesende Geräte als auch für den verwendeten
Lastschalter, um seine Nutzungsdauer erheblich zu verlängern und
Funktionssicherheit erheblich zu erhöhen.
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Alternativ
ist es möglich,
einen einzigartigen elektromagnetischen Aktuator 2, eine
Antriebswelle, die wirkend mit dem elektromagnetischen Aktuator 2 verbunden
ist und für
jeden Pol eine kinematische Kette 3, die geeignet ist,
um jeden beweglichen Anschluss mit der Antriebswelle zu verbinden,
zu verwenden. Die Öffnungs-/Schließoperationen
des Lastschalters in dieser Ausführungsform
geschieht gleichzeitig für
alle Pole, wie oben beschrieben, und können in einer synchronisierten
Weise für
eine als Referenz angesehene Phase realisiert werden.
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In
der Praxis hat es sich erwiesen, dass der erfindungsgemäße Niederspannungs-Lastschalter die
angestrebte Aufgabe völlig
löst und
die angestrebten Ziele völlig erreicht,
da seine Nutzungsdauer hinsichtlich bekannter Typen von Lastschaltern
praktisch ohne Benötigung
von Wartungsmaßnahmen, eine
Folgeleistung hinsichtlich Technik und Wirtschaftlichkeit, verlangt
wird.
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Die
Tatsache sollte nicht unbeachtet bleiben, dass alle innovativen
Funktionen und die erfinderischen Aspekte des Lastschalters durch
Verwendung handelsüblicher
Elemente und Materialien mit viel niedrigeren Kosten gemäß einer
konstruktiven Lösung
erreicht werden können,
die einfacher und kompakter als die herkömmlichen Technik ist.