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Überstromschnellschalter für große Leistungen Im Hauptpatent
601544 ist einÜberstromschalter beschrieben mit einem hauptstromerregten
Haltemagneten, einem ebenfalls hauptstromerregten Auslösemagneten und einem Anker,
der beim Auslösen schlagartig auf den beweglichenKontakt auftrifft und ihn in Richtung
der Ausschaltbewegung beschleunigt. In dem Häuptpatent ist auch beschrieben, daß
der Schalter sich polarisieren läßt, so daß er nur in einer Stromrichtung auslöst,
wenn man die Hauptstromwicklung des Haltemagneten auf ein Streujoch zwischen den
Schenkeln des Haltemagneten verlegt und auf dem Haltemagneten eine Spannung aufbringt.
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Für vieleZwecke ist es jedoch erforderlich, daß der Schalter richtungsselektiv
auslöst, d. h. daß er bei Strom in der einen Richtung schnell, bei Strom in der
anderen Richtung dagegen langsamer abschaltet. Man hat zwar bereits vorgeschlagen,
Vorrichtungen zur Erzielung einer Richtungsselektivität zu treffen, und zwar bei
einer anderen Art von Schnellschaltern, nämlich solchen mit einem an Spannung liegenden
Haltemagneten und einem Anker, der durch diesen Haltemagneten in der Einschaltstellung
gehalten wird, bei Überstrom, infolge Entmagnetisierung des Haltemagneten durch
eine auf einem Streujoch oder magnetischen Nebenschluß des Haltemagneten angeordnete
Hauptstromspule, durch eine starke Ausschaltfeder vom Haltemagneten losgerissen
wird. Zu diesem Zwecke hat man auf dem Magneteisen des Haltemagneten noch weitere
Stromwicklungen angeordnet. Solche Schalter erfordern aber einen erheblich größeren
Haltemagneten als solche mit Schlaganker nach dem Hauptpatent, weil der starke Zug
der Ausschaltfeder und der Kontaktdruck des mit dem Anker verbundenen beweglichen
Kontaktes der Haltekraft des an Spannung liegenden Haltemagneten entgegenwirkt.
Sie benötigen infolgedessen auch einen größeren Aufwand an Wicklungskupfer sowie
eine Abgleichung der beiden.Hauptstromwicklungen durch zusätzliche Eisenumschlüsse,
induktive oder Ohmsche Nebenschlüsse o. dgl. Wegen des größeren und schwereren Ankers
ist auch die erzielbare Abschaltgeschwindigkeit in der Richtung, in der der Schalter
als Schnellschalter wirken soll, bei weitem nicht so hoch wie bei Schaltern mit
Schlaganker nach dem Hauptpatent. Die Erfindung benutzt deshalb
ein
anderes Prinzip, und zwar wird. die Richtungsselektivität dadurch-Üreicht, daß in
dem hauptstromexregteri IHi.ltemagneten des Schalters nach dem Hauptpatent ein von-konstanter
Gleichspannung erregter Magnet so eingefügt wird, daß in dessen Wicklung bei anwachsendem
Vorwärts- oder Rückstrom ein' zusätzlicher Strom induziert wird, der bei Vorwärtsstrom
die Haltekraft verstärkt, bei Rückstrom dagegen schwächt. Der Schalter löst infolgedessen
in der einen Richtung, z. B. bei Rückstrom als. Schnellschalter, aus, während er
nach der anderen Richtung, in dem angenommenen Beispiel also bei Vorwärtsstrom,
langsamer abschaltet, und zwar mit einer Abschaltzeit, die je nach den Verhältnissen
ein Mehrfaches bis Vielfaches der Abschaltzeit in der Rückstromrichtung beträgt.
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In den Abb. i bis 6- ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens
erläutert, und zwar stellen dar: Abb. i eine schematische Darstellung der Anordnung,
` Abb. z ein Diagramm der magnetischen Kraftflüsse bei einem Schalter nach dem Hauptpatent
6oi 544, Abb. 3 den Verlauf der Kraftflüsse in der Anordnung gemäß der Erfindung
bei Vorwärtsstrom, Abb.4 das zugehörige Kraftflußdiagramm bei zunehmendem Strom
und konstant gehaltenen Luftspalten a-b, c-d, Abb. 5 den Verlauf der Kraftflüsse
analog Abb. 3, jedoch bei Rückstrom, Abb. 6 das zugehörige Kraftflußdiagramm bei
zunehmendem Rückstrom und konstant gehaltenen Luftspalten.
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In Abb. i ist A der Auslösemagnet, B der
Haltemagnet,
an dessen Pole der Schlaganker C durch die Federn E angepreßt wird. Die - Erregerwindungen
H und K beider Magnete sind über die Kontakte D des Schnellschalters in Reihe geschaltet
und werden von dem überdieSchalterkontaktefließenden -Strom J durchflossen, sind
also hauptstromerregt. Erfindungsgemäß wird zwischen den Schenkeln des HaltemagnetenB
ein KernstückT praktisch luftspaltlos eingefügt, auf das die Spannungsspule G aufgeschoben
ist. Sie liegt an einer konstanten Spannung, die entweder der eigenen Stromquelle
(Eigenerregung) entnommen werden kann oder einer fremden Stromquelle (Fremderregung).
Andere Zusatzeinrichtungen, wie Relais, Hilfskontakte usw., sind außer dem erwähnten
Spannungsmagneten nicht notwendig.
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Denkt man sich das Joch F mit der Wicklung G und die Federn E zunächst
weg, so liegt die Anordnung gemäß dem Hauptpatent 6oi 544 vor. Zum leichteren Verständnis
des Folgenden seien an Hand der. Abb. 2 die magnetischen Flüsse bei Auftreten von
langsam ansteigendem überstrom noch einmal für diese Anordnung erläutert.
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cpA ist der Auslösefluß im Luftspalt a-b, cpH der Haltefluß im Luftspalt
c-d in Abhängigkeit von dem Erregerstrom der Wicklungen H und K (s. Abb. i).
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Zur leichteren Beurteilung der Kräfteeinwirkung auf den Schlaganker
ist in diesem wie in allen übrigen Flußdiagrammen der Auslösefluß gA auf ein Kräfteverhältnis
PA : PH = i reduziert, d. h. bei TA = cpH ist die im
Luftspalt a-b wirksame Zugkraft PA gleich der im Luftspalt c-d wirksamen Haltekraft
PH, unter Vernachlässigung der verhältnismäßig kleinen Kraft der Federn E.
Man erkennt- den großen Einfluß der gleichzeitigen Magnetisierung des Schlagankers
durch den Auslösemagneten auf den Verlauf des aktiven Halteflusses gli im Luftspalt
c-d. Bei Fortnahme des Auslösemagneten würde der Haltefluß gH mit wachsendem Strome
J entsprechend der gestrichelten Kurveqpjlo verlaufen. Bei gleichzeitiger Magnetisierung
des Schlagankers durch den Auslösemagneten und den Haltemagneten verläuft der Haltefluß
entsprechend der ausgezogenen Kurve.gH. Von dem Strome J,. an verringert sich der
magnetische Leitwert des Schlagankers infolge der gleichzeitigen Magnetisierung
durch gA schneller, als sich die am Haltemagneten wirkende magnetornotorische Kraft
durch Vergrößerung von J erhöht, so daß der den Luftspalt c-d passierende Fluß 99H
nicht mehr steigt, sondern sich verringert und mehr und mehr in den Luftstreuweg
zwischen den Schenkeln des Haltemagneten gedrängt wird. Bei Überschreitung des Stromes
JA überwiegt die durch den Fluß gA auf den Schlaganker ausgeübte Zugkraft PA,
so daß der Schlaganker von den Polen des Haltemagneten abgerissen wird und
die Schnellschalterkontakte geöffnet werden. Würde der Haltefluß TI, nicht in den
Streuweg gedrängt werden, sondern gemäß der gestrichelten Kurve cpH0 verlaufen,
so könnte das Abreißen des Schlagankers erst bei Überschreitung des Stromes JA erfolgen.
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Legt man dagegen dieAnordnunggemäß der Erfindung zugrunde, so sind,
beispielsweisebei Vorwärtsstrom, die Flüsse gA und gA, wie aus Abb. 3 ersichtlich
ist, so gerichtet, daß sie zusammen mit dem Zusatzfluß gp des Zusatzmagneten F,
G gleichsinnig den Schlaganker durchströmen. Der Schlaganker wird also von der einen
Seite her über den verhältnismäßig großen Luftspalt a-b durch den Fluß
TA
und von der anderen Seite her über den verhältnismäßig kleinen Luftspalt
c-d durch die Flüsse gy und gp magnetisiert. Die Erregerwindungen, der Eisenkern
und der Luftspalt
des Auslösemagneten sind so bemessen, daß die
Höhe seines Flusses g9,4 .im Luftspalt a-b praktisch nicht durch die gleichzeitige
Magnetisierung des Schlagankers durch q9H und pp verändert wird. Dies ist nicht
der Fall beim Haltemagneten, an dem der Schlaganker fast luftspaltlos anliegt und
dessen Erregung nur einen Bruchteil der Erregung des Auslösemagneten beträgt.
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Verfolgt man nun bei langsam zunehmendem Strom, aberkonstantenLuftspaltena-b,
c-d (d. h. festgehaltenem Anker C) die verschiedenen Kraftflüsse, so ergibt sich
folgendes: Zunächst verringert sich mit wachsendem Strome 7 entsprechend der Verringerung
des Leitwertes im Schlaganker (durch TA) der durch die stationäre Spannung erzeugte
Fluß pp. Gleichzeitig durchströmt der aus dem Luftspalt c-d gedrängte Fluß TH zum
größten Teil den Spulenkern F, da dessen magnetischer Leitwert erheblich größer
als der magnetische Leitwert des Luftstreuweges ist. Bei rasch ansteigendem Vorwärtsstrom
wird dagegen durch die von der Stromänderung. hervorgerufene Flußänderung in der
Spannungsspule eine der konstanten Außenspannung gleichgerichtete Zusatzspannung
und damit ein zusätzlicher, dem stationären Spulenstrom Jp gleichgerichteter Strom
ip induziert. Durch diesen induzierten Zusatzstrom wird die an dem Luftspalt c-d
wirkende magnetomotorische Kraft des Haltemagneten so weit verstärkt, daß ein Verdrängen
des Halteflusses g7H in den Streuweg verhindert wird.
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Abb. 4 zeigt das zugehörige Flußdiagramm bei rasch anwachsendem Vorwärtsstrom
T". cpA ist wieder der im Luftspalt a-b wirksame Auslösefluß, qpp ist der stationäre,
durch die konstante Spannung erregte Zusatzfluß, und pl, ist der Haltefluß, der
sich aus dem Haltefluß cpH, dem stationären Zusatzfluß pp und dem in der Zusatzspule
induzierten Zusatzfluß pp zusammensetzt. Das Abreißen des Schlagankers und somit
das Auslösen des Schalters kann darum erst nach Erreichung des Stromes TA' erfolgen,
der, wie angestellte Versuche ergaben, das beispielsweise achtfache des Schalternennstromes
beträgt.
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Fließt dagegen ein rasch anwachsender Rückstrom IR durch den Schnellschalter,
so durchströmen, wie Abb. 5 zeigt, cpA und 9H in entgegengesetzter Richtung wie
Tp den Schlaganker. Während beim Vorwärtsstrom der im Luftspalt wirkende Gesamthaltefluß
gleich der Summe der Flüsse TH', ggp und ggp ist, ergibt sich beim Rückstrom der
Gesamthaltefluß aus der Summe der Flüsse pH und (pp', vermindert um den stationären
Zusatzfluß g> Denn es wird durch die Flußänderung in F ein dem stationären Spulenstrom
Jp entgegengesetzt wirkender Zusatzstrom ip induziert. Der stationäre Ström -wird
daher auf Null gedrückt und schließlich seine Richtung umgekehrt. Die am Haltemagneten
wirkende magnetomotorische Kraft wird also nicht, wie beim Vorwärtsstrom, durch
den induzierten Zusatzstrom in Spule G sofort verstärkt, sondern zunächst geschwächt,
so daß das Herausdrängen des Halteflusses cpH und damit das Abreißen des Schlagankers
beschleunigt wird. Gegenüber dem Schnellschalter ohne Spannungsspule, dessen Auslösung
vom Stromanstieg dildt praktisch unabhängig ist, hat der Schnellschalter gemäß der
Erfindung bei Rückstrom die Eigenschaft, um so früher auszulösen, je rascher der
Strom ansteigt.
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Abb. 6 zeigt das Flußdiagramm bei rasch ansteigendem Rückstrom IR.
cpA ist der wirksame Auslösefluß, cpH der resultierende Haltefluß, der sich aus
dem Haltefluß cpH und den einander entgegenwirkenden stationären und induzierten
Zusatzspulenflüssen gp und 99p' zusammensetzt. Bei Überschreitung von
JA' wird der Anker abgerissen, da dann pA größer als cpH wird. Ein Vergleich
der Abb. 4 und 6 zeigt die erheblichen Unterschiede der Auslöseströme und daher
auch der Auslösezeiten. Durch gleichzeitige Verwendung von Schaltern nach der Erfindung
in Vorwärts-und Rückstromschaltung sowie evtl. von solchen nach dem Hauptpatent
lassen sich also selektive Abschaltungen erzielen.
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Die Erfindung kann auch in an sich bekannter Weise für Relais und
ähnliche Einrichtungen zur Verwendung gelangen, bei denen dann der Schlaganker eine
Kontaktvorrichtung betätigt oder direkt auf Auslöseorgane einwirkt.
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Ferner kann beispielsweise in den Spannungskreis zum Zusatzmagneten
die Sekundärwicklung eines Transformators in Reihe geschaltet werden, dessen Primärwicklung
im Hauptstrom liegt. Bei Auftreten von Änderungen des Hauptstromes treten dann im
Kreis des Zusatzmagneten zusätzliche Induktionsströme auf, die eine weitgehende
Beeinflussung der-Auslösezeit in Abhängigkeit vom Hauptstrom gestatten. Dabei kann
man die Auslösezeiten durch verschiedene Bemessung des Transformators entweder von
der Steilheit des Stromanstieges abhängig machen oder auch bei mehreren hintereinandergeschalteten
Schaltern, die vom gleichen Strom durchflossen werden, die Auslösezeiten bei gleichem
Stromanstieg gegeneinander abstufen.