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Überstromselbstschalter mit elektromagnetischer Kurzschluß-und thermischer
Uberstromauslösung Bei Überstromselbstschaltern mit elektromagnetischer und thermischer
Auslösung ist es bekannt, alle Überstromauslösungen, also auch die thermische, über
den Magnetanker der elektromagnetischen Auslösung erfolgen zu lassen. Dies geschieht
z. B. in der Weise, daß ein Thermostat bei Überstrom einen Parallelstromkreis zur
Auslösespule öffnet, so daß bei Überstrom, im Gegensatz zur Kurzschlußausschaltung,
der Ciesamtüberstrom über die Auslösespule geführt wird, oder es wird bei Überstrom
durch den Thermostaten der Kurzschluß eines Vorwiderstandes der Auslösespule aufgehoben.
Eine andere bekannte Schaltung sieht eine Hilfsspule in Reihe zur Auslösespule vor,
die im Nennstrombetrieb von einem Thermostaten kurzgeschlossen wird, der bei Überstrom
diesen Kurzschluß aufhebt. Diese bekanntgewordenen Schaltungen haben den großen
Nachteil, daß bei Kurzschluß sowohl für die Auslösung als auch für die magnetische
Beblasung des Ausschaltlichtbogens nur ein Teilüberstrom zur Verfügung steht. Die
Folge ist eine Verminderung der Al>schaltleistung und Abschaltsicherheit.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei Überstromselbstschaltern der genannten
Art diese Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die thermische
Überstromauslösung mit dem elektromagnetischen Kurzschlußauslöser derart elektrisch
und mechanisch gekuppelt ist, daß kurz vor der Abschaltung in gleicher Weise bei
allen
überströmen, also auch bei Kurzschlüssen, eine Erhöhung'derWindungszalhl
und /oder der Auslösestromstärke des Auslöser- und Blasmagneten erfolgt, und zwar
zweckmäßig in dem Sinne, daß bei allen Auslösungen eine Verstärkung sowohl der elektromagnetischen
Blaswirkung als auch der Auslösekraft des Auslöseorgans eintritt. Die Kupplung besteht
gewöhnlich aus einer losen mechanischen Verbindung mit Hilfskontakten zwischen dem
Magnetanker der elektromagnetischen Auslösung und dem Thermostaten der thermischen
Auslösung gegebenenfalls über feste oder elastische Bindeglieder. Die Hilfskontakte,
die an den Bindegliedern oder an dem Auslösemagneten oder zweckmäßig unmittelbar
am Magnetanker und am Thermostaten angebracht sein können, werden infolge der Kupplung
bei Überlastungen so betätigt, daß sie einen Stromkreis öffnen oder schließen und
dadurch eine Hilfsspule zur eigentlichen Auslöse- und Blasspule in Reihe schalten
oder einen Stromkreis öffnen, der parallel zur ganzen Auslösespule oder zu einem
Teil derselben, der wiederum als Hilfsspule bezeichnet werden kann, liegt.
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Im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens sind zahlreiche Ausführungsmöglichkeiten
gegeben, von denen in den nachstehend erläuterten Abb. i bis 6 einige Beispiele
näher beschrieben sind. In allen Abbildungen bedeutet S den Selbstschalter mit seinen
Schaltkontakten, I und 1I die Windungen des Auslöse- und Blasmagneten und ATA den
Magnetanker des letzteren. Der Thermostat der überstromauslösung ist mit i bezeichnet;
2, 3 und 4, 5 sind Hilfskontakte. Die Abb. i, i a, 1b, 2, 3, 4, 5 und 6 zeigen die
Ausführungsbeispiele in schematischer schaltungstechnischer Hinsicht, die Abb. 3a
bis 3c und 4a bis 4e sind konstruktive Lösungen hierfür ebenfalls in schematischer
Darstellung.
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Die Abb. i zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung in normaler Betriebslage.
Die Kontakte des Schalters S sind geschlossen. Wie die Strompfeile erkennen lassen,
ist der Stromverlauf : Schalterkontakte, Windungen I, Thermostat i, Stromausgang.
In der normalen Betriebslage sind daher nur die Windungen I des Auslöse- und Blasmagnaten
stromführend. Bei einfachem Überstrom erwärmt sich der Thermostat und schließt nach
bestimmter Zeit infolge seines Ausschlages nach links die Konakte 2, 3. Dies hat
zur Folge, daß der von den Schaltkontakten über die Spule I kommende Strom mit einem
Teilstrom auch die Spule 1I durchfließt. Infolge dieser verstärkten elektromagnetischen,Wirkung
auf den Magnetanker MA wird dieser angezogen und entklingt die Schaltmechanik
des Schalters, so daß der Schalter sich öffnet. Wie aus der Zeichnung erkennbar,
steht der Magnetanker in loser Verbindung mit dem Thermostaten i. Erfolgt ein Kurzschluß,
dann genügt die elektromagnetische Kraft der Windungen I allein, um den Magnetanker
anzuziehen. Infolge seiner mechanischen Verbindung mit dem Thermostaten i erfolgt
nun bei Kurzsc'hluß der gleiche schaltungstechnische Vorgang wie bei. Überstrortn.
Der Magnetanker M A drückt den Thermostaten nach links durch, so daß auch bei der
Kurzschlußauslösung kurz vor der Entklinkung der Schaltmechanik des Schalters S
in gleicher Weise wie bei Überstrom ein Teilstrom des Auslösestromes die Spule Il
durchfließt. Dies bedeutet den wesentlichen Vorteil, daß auch bei Kurzschluß die
elektromagnetische Kraft des Auslöse- und Blasmagneten des Schalters kurz vor Öffnung
des Schalters erhöht wird.
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Die Abb. i a ist ein Beispiel dafür, wie man bei der Erfindung die
elektromagnetische Auslösekraft des Ankers MA elektrodynamisch verstärken
kann. Es ist ein Thermostat i ähnlich wie in Abb. i angenommen; der Magnetanker
und der Schalter sind nicht gezeichnet, und der Magnet des Schalters nur durch die
Bezugszeichen I und 1I angedeutet. Diese Teile wirken aber ebenso wie bei Abb. i.
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Wie die Pfeile zeigen, ist die Stromrichtung in der Stromzuführung
zum Thermostat i und im Thermostat selbst einander entgegengerichtef. Bei auftretendem
Überstrom erfolgt datier ein gegenseitiges Abstoßen, so da.ß die Kraft des Ankers
AIJA elektrodynamisch unterstützt wird.
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In Abb. i und i a ist als Hilfskontakt der Kupplung zwischen der elektromagnetischen
und thermischen Auslösung nur ein Schließkontakt vorgesehen, dessen beweglicher
Kontaktteil 2 vom Thermostaten i selbst getragen wird. Bei der Ausführung nach ,Abb.
i b besteht dagegen der Hilfskontakt aus dem Schließkontaktpaar 2, 3 und dem Üffnungskontaktpaar
4, 5. Die nähere Darstellung dieser Anordnung erfolgt später in Verbindung mit der
Anordnung nach Abb. 4.
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Der Thermostat, zweckmäßig ein Bimetallthermostat, kann die üblichen
bekannten Ausführungen und Formen aufweisen, er kann z. B. Streifenform haben oder
eine Form, durch die eine Schnappbewegung bei Überstrom erfolgt, er kann direkt
oder indirekt geheizt werden oder beides gleichzeitig.
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Bei der Ausführung nach Abb. 2 ist ein streifenförmiger Bimetallthermostat
i vorgesehen, der wie in den vorausgehenden Beispielen durch direkten Stromdurchfluß
beheizt wird und aber außerdem noch eine Heizwicklung 1a aufweist. Die Abb. 2 zeigt
den Stromverlauf bei geschlossenem Schalter und normalem Betriebszustand. Der Strom
fließt über die Schalterkontakte, die Spule I, Thermostat i, geschlossene Kontakte
2, 4, zum Stromausgang. Bei Überstrom erwärmt sich der Thermostat durch direkten
Stromdurchfluß; sein Ende mit dem Schaltkontakt 2 biegt sich nach links und öffnet
den Kontakt 2, 4. Dadurch tritt an die Stelle der direkten Beheizung des Thermostaten
die indirekte Beheizung desselben durch die Heizwicklung h, die nunmehr nicht mehr
durch die Kontakte 2, 4 kurzgeschlossen ist. Der Thermostat vergrößert seinen Ausschlag,
bis er die Kontakte 2, 3 schließt. In diesem Augenblick fließt ein Teil des Überstromes
auch über die Wicklung 1I. Durch diese Verstärkung der magnetischen Wirkung auf
den Anker MA wird dieser angezogen und leitet die Abschaltung des Schalters ein.
Der ?Magnetanker steht auch hier wieder in loser Verbindung mit dem Thermostaten.
Bei Kurzschluß,
bei dem die Wicklung I als Quelle der Auslösekraft
ausreicht, verursacht daher der Anker 114A durch seine Auslösebewegung ebenfalls
das Öffnen der Kontakte 2, 4 und Schließen der Kontakte 2, 3. Demnach entsteht auch
bei Kurzschluß verstärkte Auslöse- und Blaswirkung.
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Die Abb. 3 zeigt eine besonders einfache Anordnung gemäß der Erfindung,
die zudem auch wirkungsmäßig in angestrebtem Sinne besonders vorteilhaft ist. Wie
ersichtlich, fließt der normale Betriebsstrom über die Kontakte des Schalters S,
durch die Windungen I, Thermostat i, die geschlossenen Kontakte 2, 3 zum Stromausgang.
Die Windungen 1I sind bei Normalbetrieb also praktisch kurzgeschlossen. Der -Magnetanker
steht durch lose Kupplung mit dem federnden Schaltglied des Hilfskontaktes 3 in
Verbindung. Bei Überstrom liegt sich das Schaltende des Thermostaten t nach rechts
und öffnet die Hilfskontakte 2, 3 und damit den Kurzschluß der Windungen 1I. Diese
sind nunmehr in Reihe zur Wicklung I geschaltet und vom vollen Überstrom durchflossen.
Der Anker MA wird angezogen, öffnet hierbei die Kontakte 2, 3 noch weiter und leitet
die Abschaltung ein. Bei Kurzschluß genügt die Wicklung I als Anziehungskraft für
den Anker. Durch die Bewegung des Ankers erfolgt auch hier sofort ein Öffnen der
Kontakte 2, 3. Demnach sind bei dieser Anordnung kurz vor der Öffnung der Schaltkontakte
die beiden Windungen vom vollen Überstrom oder Kurzschlußstrom durchflossen und
daher als Auslösemagnet und Blasmagnet in größtmöglichem Maße wirksam.
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Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform wird betont, daß die kurzzeitige
Teilnahme der Windungen 1I an der Führung des Überstromes bzw. des Stromes überhaupt
die Möglichkeit bietet, diesem Windungsteil einen höheren Widerstandswert pro Windung
zu geben als der Wicklung I, denn er ist praktisch nur sehr kurzzeitig belastet.
Zum Beispiel kann der Widerstandswert durch Verwendung eines Drahtes verringerten
Querschnitts erhöht werden. Dadurch erhält man auf geringem Raum eine sehr große
Zahl von Windungen. Bei allen Überströmen, auch bei Kurzschlüssen wird somit durch
die Erfindung gegenüber dem Bekannten eine wesentliche Erhöhung der Auslösekraft
und Auslösegeschwindigkeit des elektrischen Auslöseorgans, eine große Steigerung
der elektromagnetischen Blaswirkung für das Ausblasen des Abschaltlichtbogens und
eine starke Begrenzung der Überströme, besonders der Kurzschlußströme. im Augenblick
des Abschaltvorganges erzielt.
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Der in Abb. 3 gestrichelt angedeutete Widerstand w parallel zu den
Hilfskontakten 2, 3 kann vorgesehen werden, wenn man auch bei besonders großer Windungszahl
von 1I jede Funkenbildung bei Öffnung der Kontakte 2, 3 vermeiden will. Andererseits
muß dieser Widerstand natürlich so bemessen sein, daß sein Stromanteil bei den Abschaltvorgängen
unbedeutend bleibt. ' In Ah-. 3 a, 31) und 3 c sind konstruktive Lösungen der Anordnung
nach Abb. 3 dargestellt, und zwar ebenfalls in schematischer Darstellung. Es sind
nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale gezeichnet, nämlich der aus den
Wicklungsteilen I und II bestehende Auslöse- und Blasmagnet, wobei eine konzenitrische
Anordnung der beiden Wicklungen angenommen ist, der Magnetanker MA, der bei Überstrom
in den PolschuHhohlraum hineingezogen wird und hierbei, wie erkennbar, über ein
seitliches Gestänge oder über einen mittleren Stößel die Schaltmechanik, die nicht
gezeichnet ist, auslöst. Die im Polschuhhohlraum befindliche Feder 9 holt den Anker
nach erfolgter Abschaltung wieder in seine Anfangslage. Der Thermostat ist wieder
mit i, die Hilfskontakte sind mit 2 und 3 bezeichnet. Die Kupplung gemäß der Erfindung
zwischen thermischer und elektromagnetischer Auslösung erfolgt durch lose aber kraftschlüssige
Verbindung des Ankers MA entweder mit dem federnden Schaltglied des Kontaktes
3 (Abb. 3a) oder direkt mit dem Thermostaten.(Abb. 3 b, 3 c), da im letzteren Falle
der Magnetanker selbst den Kontakt 3 trägt. Die Wirkungsweise dieser konstruktiven
Lösungen entspricht bei den Abschaltungen der Wirkungsweise bei Schaltung nach Abb.
3. Die Lösung nach Abb. 3 c unterscheidet sich von beiden anderen Anordnungen durch
besonders vorteilhafte Raumausnutzung, da der Anker ganz oder teilweise im Polschuhhohlraum
sich befindet. Bei diesen Lösungen kann die Einstellung der Überstromauslösung durch
Veränderung des Kontaktdruckes zwischen den Kontakten 2, 3 erfolgen. In der Abb.
3 b ist diese Möglichkeit durch die Stellschraube 7 angedeutet, die sich am Magneten
abstützt und den senkrechten Auslösegestängeteil in seiner Lage zu verändern vermag.
Dadurch wird auch der Kontakt= druck zwischen 2 und 3 verändert. Die Veränderung
des Kontaktdruckes bedeutetentwedereineÄnderung des Übergangswiderstandes von 2
nach 3 oder eine Änderung der Auslösebewegung des Thermostatendes bei dem Kontakt
2 oder eine Änderung beider Werte.
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Die Abb. 4 stellt eine Lösung dar, bei der die Hilfskontakte der Kupplung
aus 'dem Schließkontaktpaar 2, 3 und dem Offnungskontaktpaar 4, 5 bestehen. Bei
Normalstrom ist der Stromverlauf: Schaltkontakte des Schalters S, Spule I, Thermostat
i, Kontaktpaar 4, 5, Stromausgang. Bei Überstrom schließt der Thermostat i das Kontaktpaar
2, 3; nun fließt ein geringer Teilstrom auch über Spule 1I. Reicht diese dadurch
eintretende Verstärkung der elektromagnetischen Kraft nicht aus, den Anker
MA nach rechts in die Spulen hineinzuziehen und auszulösen, biegt sich der
Thermostat i weiter durch, bis er durch Berührung mit einer Nase am oberen Ende
des Schaltgliedes 6 über dieses Schaltglied die Kontakte 4, 5 öffnet. In diesem
Augenblick fließt der gesamte Überstrom auch durch die Spule II, und der Anker
MA löst aus. Bei Kurzschluß bewegt der Anker MA den federnden Thermostaten
i, mit dem er verbunden ist, nach rechts, und es spielt sich der gleiche Vorgang
ab wie bei Überstrom.
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In diesem Zusammenhang wird nochmals auf die Abb. 11) hingewiesen.
Die Kontaktpaare 2, 3 und 4, 5
dieser Abbildung haben die gleichen
Funktionen wie die entsprechenden Kontaktpaare der Abb.4.
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Die Abbildungen 4a bis 4e sind ähnliche schematische Darstellungen
konstruktiver Lösungen der Schaltung nach Abb. 4, wie die Abb. 3 a bis 3 c solche
der Abb. 3 waren. Das besondere Merkmal dieser konstruktiven Lösungen ist die räumliche
Anordnung der Hilfskontakte und des Thermostaten. In Abb. 4a ist das Öffnungskontaktpaar
4, 5 im Polsdhuhhohlraum untergebracht und wird durch einen am Magnetanker
MA angeordneten Isoliertrennstift 8 getrennt, wenn bei überstrom oder Kurzschluß
der Anker angezogen wird. Bei Abb.4b befindet sich das öffnungskontaktpaar 4, 5
oberhalb der Magnetspulen. In beiden Abbildungen ist angedeutet, daß der Anker über
ein Auslösegestänge die Schaltmechanik auslöst. Die Beispiele nach Abb. 4c, 4d lassen
eine Anordnung erkennen, bei der das Offnungskontaktpaar 4, 5, das Schließkontaktpaar
2, 3, der Thermostat i und der Anker MA innerhalb des Polschuhhohlraumes untergebracht
sind,inAbb.'4c außerhalb derAn'kerrückholfeder 9, in Abb.4d innerhalb derselben.
Der Kontakt 3 ist hierbei ein seitlicher schräger Kontaktstreifen des Ankers 111A.
Das Kontaktpaar 4, 5 wird wieder wie bei Abb. 4a durch einen Isolierstift 8 des
Ankers getrennt. Die Lösungen der Abb. 4 c und 4 d zeichnen sich durch besonders
große Raumersparnis unterhalb der Spule aus, die anderen Teile des Schalters, der
Funkenkammer und der Schaltmechanik zugute kommt.
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Bei der Lösung nach Abb.4e bilden die Kontakte 3, 4 und 5 einen besonderen
Konstruktionsteil, der am Anker MA befestigt ist. 3 und 4 sind gleichzeitig
die Enden eines Waagebalkens, der durch eine Feder io mit seinem Kontaktende 4 gegen
den am Konstruktionsteil fest angeordneten Kontaktstreifen 5 gepreßt wird. DieAnordnung
wirkt somit in der Weise, daß bei Überstrom das Thermostat i die Kontakte 2, 3 schließt
und durch diesen Schließdruck die Kontakte 4, 5 öffnet; nun wird der Anker
MA mit dem Konstruktionsteil angezogen und löst aus. Bei Kurzschluß erfolgt
sofort die Bewegung des Ankers nach innen mit Schließen der Kontakte 2, 3, Öffnen
der Kontakte 4, 5 und Auslösung über den Stößel des Ankers. Die Lösungen nach Abb.
5 und 6 sind im Prinzip die gleichen wie die nach Abb. i bis 4, nur daß hier die
Entlastung der Auslöser- und Blasspule im Nennstrombetrieb durch Parallelstromzweige
zur Gesamtspule erfolgt. In beiden Fällen verzweigt sich bei Normalbetrieb der von
den Schalterkontakten kommende Strom in zwei parallele Stromkreise. Der eine besteht
nur aus der Magnetspule, gegebenenfalls unter Vorschaltung eines besonderen Heizwiderstandes
h für den Thermostaten i, der andere aus dem Thermostaten i zweckmäßig mit veränderlichem
Widerstand w und den Hilfskontakten 2, 3, die entweder direkt am Thermostaten i
und Magnetanker MA
(Abb. 5) angebracht oder als besondere Kontaktglieder,
wie in Abb. 6 der Kontakt 3, ausgebildet sein können. Die parallelen Stromkreise
sind in ihrem Widerstand so gegeneinander abgeglichen, daß bei Kurzschluß der durch
die Magnetspule fließende Teilstrom auf jeden Fall ausreicht, den Magnetanker sofort
anzuziehen. In Abb. 5 öffnet er dann die Kontakte 2, 3 unmittelbar und in Abb. 6
durch Abgleiten an einem schrägen Isolieransatz i i des Thermostaten i, das den-elastischen
oder elastisch angeordneten Thermostaten i mit seinem Kontakt 2 von dem Kontakt
3 entfernt. Die Entklinkung der Schaltmechanik durch die Ankerbewegung ist auch
bei diesen Lösungen wie in den vorausgehenden nur schematisch angedeutet. Bei Überstrom
erfolgt das Anziehen des Ankers erst dann, wenn der Thermostat durch seine Erwärmung
die Kontakte 2, 3 trennt. Der regulierbare Widerstand w in Abb. 5 bietet die Möglichkeit,
die Überstromauslösecharakteristik des Thermostaten zu ändern. Er kann auch durch
einen verstellbaren Abgriff am Thermostaten selbst ersetzt werden. Der Heizwiderstand
h kann dafür vorgesehen werden, die Beheizung des Thermostaten auch nach Öffnen
der Kontakte noch fortzusetzen.
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Aus allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist erkennbar, daß die
Anordnung gemäß der Erfindung bei Normalbetrieb den geringstmöglichen Widerstandbesitzt,
danur sovielAmperewindungen des Auslösers und Blasmagneten wirksam sind, daß bei
Kurzschluß der Magnetanker mit Sicherheit angezogen wird. Bei Überstrom und Kurzschluß
werden aber kurz vor der Abschaltung die Amperewindungen um ein Vielfaches erhöht.
Hierbei ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß dadurch nicht nur die Blaswirkung
verstärkt wird und eine starke überstrombegrenzung eintritt, es wird bei diesem
Vorgang auch die Auslösekraft und Auslösegeschwindigkeit des Ankers erhöht und damit
insgesamt die Abschaltgeschwindigkeit des Schalters wesentlich verbessert. Die zeitliche
Aufeinanderfolge zweier Schaltungen, nämlich das Öffnen der Hilfskontakte und der
Hauptkontakte, ist daher bei der Erfindung sicher gelöst und bedeutet keine Erhöhung
der Abschaltzeit. Wie geschildert, wird vielmehr eine Verkürzung der Schaltzeit
erzielt. Bei den bekannten Schaltern erfolgt ebenfalls das Zuschalten einer Hilfsspule
beim Abschalten. Diese Hilfsspule ist aber nur Blasspule und wirkt im Gegensatz
zur Erfindung nicht mehr für die Auslösung mit, denn ihre Hilfskontakte werden vom
Schaltgetriebe, also erst nach Entklinkung desselben, gesteuert. Diese bekannten
Schalter weisen demnach die genannten besonderen Vorteile der Erfindung nicht auf.
Abgesehen davon handelt es sich bei ihnen um Schalter, die nicht zu der im Oberbegriff
des Patentanspruches der Erfinidung gekennzeichneten besonderer< Schalterart
gehören, denn bei ihnen erfolgt die thermische Auslösung nicht über die elektromagnetische,
sondern der Thermostat steuert vielmehr mechanisch direkt die Schaltmechanik.