EP2755222B1

EP2755222B1 - Schaltschloss für Niederspannungsschutzgeräte

Info

Publication number: EP2755222B1
Application number: EP13151144.6A
Authority: EP
Inventors: Ludwig Niebler; Alexander Zhukowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2033-01-14
Also published as: EP2755222A1; WO2014108248A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltschloss, insbesondere für Niederspannungsschutzgeräte mit einem Kniegelenk, welches eine Handhabe und einen ersten daran befestigten U-Bügel umfasst, wobei in der Handhabe ein Federelement angeordnet ist und wobei der erste U-Bügel mechanisch in Wirkverbindung mit einer Klinke steht, welche über einen zweiten U-Bügel mechanisch mit einem Schalthebel in Wirkverbindung steht, sowie ein Schutzgerät.
Beim Einschalten des Schutzgerätes wird im Schaltschloss mindestens eine Ausschaltfeder vorgespannt. Das Schutzgerät ist dabei so ausgebildet, dass Stromüberwachungsgruppen wie zum Beispiel Bimetallauslöser, kontinuierlich den Stromfluss in einer Abzweigleitung messen. Übersteigt der Stromfluss einen festgelegten Schwellwert, so wird die im Schaltschloss vorgespannte Ausschaltfeder entklinkt. Über die Schaltschlossmechanik wird die entklinkte Federkraft auf die Hauptkontakte übertragen, welche dann geöffnet werden. Dadurch wird der Stromfluss unterbrochen.
Im praktischen Einsatz hat ein Niederspannungsschutzgerät eine eher passive Aufgabe, das heißt, es wird nach dem Einbau in einen Schaltschrank einmal eingeschaltet und verharrt in diesem Zustand bis ein Anlagenfehler auftritt. Da aber ein Anlagenfehler sehr selten auftritt, ist es üblich, dass die Schaltschlossmechanik im Niederspannungsschutzgerät jahrzehntelang nicht betätigt wird. Es besteht daher das Risiko, dass Bauteile im Schaltschloss durch Alterung unbemerkt ausfallen und das Schutzgerät nicht mehr funktioniert. Insbesondere die vorgespannten Ausschaltfedern bilden ein Gefahrenpotential. So zeigen zum Beispiel Wasserstoff versprödete Federn im Neuzustand keinerlei Auffälligkeiten, neigen aber bei entsprechender Vorspannung dazu, nach Monaten zu brechen.
Auf dem Markt zeichnet sich ein weiterer Trend ab, der darin besteht, dass Leistungsschalter in sicherheitsgerichteten Steuerungen als redundantes Schaltelement zu einem Schütz eingesetzt werden, um einen höheren Sicherheitsintegritätslevel zu erreichen. In einer derartigen Schaltungsanordnung wird über einen Schütz betriebsmäßig ein- und ausgeschaltet. Der Schütz wird von einem Sicherheitsauswertegerät überwacht. Versagt eine Ausschaltung, so wird der Leistungsschalter über einen Unterspannungsauslöser ausgelöst beziehungsweise abgeschaltet. Da ein Leistungsschalter üblicher Weise von Hand eingeschaltet werden muss, ist eine automatische Überwachung des Leistungsschalters sehr aufwändig. Aus diesem Grund sind derartige Schaltungsanordnungen nur bei Applikationen interessant, die betriebsmäßig eine geringe Schalthäufigkeit erfordern.
Um das Risiko zu minimieren, dass Bauteile im Schaltschloss durch Alterung unbemerkt ausfallen und dadurch das Schutzgerät nicht mehr funktioniert, werden üblicherweise die Bauteile im Schaltschloss stark überdimensioniert. Zudem werden während der Entwicklung umfangreiche Lebensdauer und Langzeitversuche gemacht. Es bleibt jedoch trotzdem ein Restrisiko bestehen, da fehlerhafte Materialchargen in der Serienfertigung nicht zu 100% ausgeschlossen werden können, wie zum Beispiel bei Wasserstoff versprödeten Federn.
Die WO 2004/073008 A1 beschreibt ein Schaltschloss mit einem Kniegelenk, welches eine Handhabe mit einem ersten daran befestigten U-Büge1 umfasst, wobei in der Handhabe ein Federelement angeordnet ist und wobei der erste U-Büge1 mechanisch in Wirkverbindung mit einer Klinke steht, welche über einen zweiten U-büge1 mechanisch mit einem Schalthebel in Wirkverbindung steht.
Auch die DE 197 03 959 C1 beschreibt ein Schaltschloss eines Schaltgeräts mit Drehantrieb. Das Schaltschloss weist ein Gegenrad auf, das in Verbindung mit einem U-Büge1 ein Kniegelenk bildet. Das Kniegelenk ist in einer Kulisse in einer Schaltplatine geführt. Weitere an der Schaltplatine befestigte Komponenten des Schaltschlosses sind ein Klinkenhebel, eine Klinke, ein Schalthebel, eine Ausschaltfeder sowie eine Sperre.
Ein ähnliches Schaltschloss geht auch aus der DE 297 01 829 U1 hervor.
Alternative Lösungsansätze zu dem hier vorgestellten Problem ergeben sich aus der DE 468 987 C , der US 3 432 787 A , der DE 722 734 C sowie der DE 652 199 C .
Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Schaltschloss, insbesondere für Niederspannungsschutzgeräte sowie ein entsprechendes Schutzgerät zu schaffen, welches zuverlässig funktioniert und das Risiko für unerkannte Materialmängel minimiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltschloss, insbesondere für Niederspannungsschutzgeräte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Schutzgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Schaltschloss gelöst, insbesondere für Niederspannungsschutzgeräte mit einem Kniegelenk, welches eine Handhabe und einen ersten daran befestigten U-Bügel umfasst, wobei in der Handhabe ein Federelement angeordnet ist und wobei der erste U-Bügel mechanisch in Wirkverbindung mit einer Klinke steht, welche über einen zweiten U-Bügel mechanisch mit einem Schalthebel in Wirkverbindung steht. Die Erfindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass das Federelement in der Handhabe derart ausgebildet ist, dass das Kniegelenk bei Belastung mit einer Mehrzahl an Ausschaltfedern gestreckt bleibt, sich aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung bewegt.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Schutzgerät mit einem erfindungsgemäßen Schaltschloss.
Das erfindungsgemäße Schaltschloss weist ein Kniegelenk auf, welches eine Handhabe, die vorzugsweise als Zahnwippe ausgebildet ist, und einen ersten U-Bügel umfasst, wobei in der Handhabe ein Federelement, vorzugsweise eine Drehfeder, angeordnet ist. Der U-Bügel weist zwei Schenkel auf, die zum Einen in der Handhabe und zum Anderen in einer Klinke angeordnet sind. An der Klinke ist ein zweiter U-Bügel angeordnet, der die Klinke mechanisch mit dem Schalthebel verbindet. Diese Schaltschlossmechanik ist zwischen zwei Schaltplatinen angeordnet.
Zudem weist die erfindungsgemäße Schaltschlossmechanik eine Mehrzahl, insbesondere mindestens zwei Ausschaltfedern auf. Dabei ist die erste Ausschaltfeder vorzugsweise als Drehfeder ausgebildet, mit zwei Enden, wobei das eine Ende am Schalthebel und das andere Ende an einem ersten Fortsatz einer Schaltplatine befestigt ist. Die zweite Ausschaltfeder ist vorzugsweise als Zugfeder ausgebildet und weist ebenfalls zwei Enden auf, wobei das eine Ende an einem zweiten Fortsatz einer Schaltplatine und das andere Ende am Schalthebel befestigt ist.
In der eingeschalteten Position wird die Handhabe, insbesondere Zahnwippe, in welcher eine Drehfeder angeordnet ist, mit einem Drehmoment "Mdf" gegen den Uhrzeigersinn beaufschlagt. Diesem Drehmoment entgegen wirkt mit dem Hebelarm "H" die Kraft "F". Das Drehmoment "F" x "H" ist in der eingeschalteten Position größer als das Drehmoment "Mdf".
Damit sich die Zahnwippe nicht im Uhrzeigersinn bewegt, ist im Gehäuse ein Anschlag vorgesehen. Die Kraft "F" rührt von einer vorgespannten Ausschaltfeder her, die beim Einschaltvorgang gespannt wird, und deren Kraftwirkung über mehrere Mechanikteile auf den oberen U-Bügel übertragen werden. Zudem wirkt in der eingeschalteten Schaltstellung auf den Schalthebel das Drehmoment "Ma" im Uhrzeigersinn.
Das erfindungswesentliche Merkmal besteht darin, dass in der Schaltschlossmechanik mit Kniegelenk mindestens zwei Ausschaltfedern vorgesehen sind. Dies können zum Beispiel eine Zugfeder und eine Drehfeder sein. Daraus ergibt sich die Gleichung für die Kraft F, die am oberen U-Bügel wirkt: $F = F_{Zugfeder} + F_{Drehfeder} bzw . F = F_{1} + F_{2}$
F_zugfeder entspricht der Kraftwirkung am oberen, ersten U-Bügel, die von einer irgendwo im Getriebe angeordneten Zugfeder herrührt.
F_Drehfeder entspricht der Kraftwirkung am oberen, ersteren U-Bügel, die von einer irgendwo im Getriebe angeordneten Drehfeder herrührt.
Jede einzelne Ausschaltfeder ist kräftemäßig so dimensioniert, dass sie die Hauptkontakte allein ein kleines Stück öffnen kann. Der Öffnungsweg, der durch eine Ausschaltfeder erzielt werden kann ist so groß, dass bei Nennspannung ein Stromfluss über die Hauptkontakte zum Erliegen kommt. Die Wirkung der Rückstellfeder in der Zahnwippe ("Mdf") ist so dimensioniert, dass das Kniegelenk bei Belastung mit zwei Ausschaltfedern gestreckt bleibt, aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung gegen den Uhrzeigersinn bewegt wird.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkung der Rückstellfeder in der Handhabe, also in der Zahnwippe so dimensioniert ist, dass das Kniegelenk bei Belastung mit zwei Ausschaltfedern gestreckt bleibt, aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung bewegt wird. Der Vorteil besteht darin, dass bei Bruch einer Ausschaltfeder im Schaltschloss sich das Niederspannungsschutzgerät selbständig ausschaltet. Die Anlage kommt so zum Stillstand, und der Fehler wird entdeckt, noch bevor eine gefährliche Situation eintritt.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Niederspannungsschutzgerät vorzugsweise ein Leistungsschalter oder ein Motorabzweig ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Handhabe als Zahnwippe ausgebildet ist.
Des Weiteren kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Federelement als Drehfeder ausgebildet ist.
Es ist auch denkbar, dass die erste Ausschaltfeder als Drehfeder ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die erste Ausschaltfeder zwei Enden aufweist, wobei das eine Ende am Schalthebel und das andere Ende an einem ersten Fortsatz einer Schaltplatine befestig ist.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass eine zweite Ausschaltfeder als Zugfeder ausgebildet ist. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zweite Ausschaltfeder zwei Enden aufweist, wobei das eine Ende an einem zweiten Fortsatz einer Schaltplatine und das andere Ende am Schalthebel befestigt ist.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Schutzgerät, insbesondere ein Niederspannungsschutzgerät, mit einem erfindungsgemäßen Schaltschloss.
Das erfindungsgemäße Schaltschloss zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkung der Rückstellfeder in der Handhabe so dimensioniert ist, dass das Kniegelenk bei Belastung mit zwei Ausschaltfedern gestreckt bleibt, aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung bewegt wird. Dieses erfindungsgemäße Konzept weist den Vorteil auf, dass bei Bruch einer Ausschaltfeder im Schaltschloss sich das Niederspannungsschutzgerät selbständig ausschaltet. Die Anlage kommt zum Stillstand, und der Fehler wird entdeckt, noch bevor eine gefährliche Situation eintritt. Das erfindungsgemäße Schaltschloss ermöglicht somit eine zuverlässige Funktion und minimiert das Risiko für unerkannte Materialmängel.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen schematisch:

Fig. 1 in einer Seitenansicht ein erfindungsgemäßes Schaltschloss mit Kräftediagramm in eingeschalteter Schaltstellung;
Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung das erfindungsgemäße Schaltschloss nach Fig. 1 mit zwei Ausschaltfedern.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Schaltschloss 1, welches ein Kniegelenk aufweist, welches eine Handhabe 2, die vorzugsweise als Zahnwippe ausgebildet ist, und einen ersten U-Bügel 3 umfasst, wobei in der Handhabe 2 ein Federelement 4, vorzugsweise eine Drehfeder angeordnet ist. Der U-Bügel 3 weist zwei Schenkel 5, 6 auf, die zum Einen in der Handhabe 2 und zum Anderen in einer Klinke 7 angeordnet sind. An der Klinke 7 ist ein zweiter U-Bügel 8 angeordnet, der die Klinke 7 mechanisch mit einem Schalthebel 9 verbindet. In der eingeschalteten Schaltstellung beaufschlagt das Federelement 4 die Handhabe 2 mit dem Drehmoment "Mdf" gegen den Uhrzeigersinn. Diesem Drehmoment wirkt mit dem Hebelarm "H" die Kraft "F" entgegen. Das Drehmoment "F" x "H" ist in der dargestellten eingeschalteten Schaltstellung größer als das Drehmoment "Mdf". Damit sich die Handhabe nicht im Uhrzeigersinn bewegt, ist im Gehäuse ein Anschlag vorgesehen. Die Kraft "F" rührt von einer vorgespannten Ausschaltfeder her, die beim Einschaltvorgang gespannt wird und deren Kraftwirkung über mehrere Mechanikteile auf den U-Bügel 3 übertragen werden.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Schaltschloss 1 im verbauten Zustand zwischen zwei Schaltplatinen 10, 11 dargestellt. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die erfindungsgemäße Schaltschlossmechanik eine Mehrzahl, insbesondere mindestens zwei Ausschaltfedern 12, 13 aufweist. Dabei ist die erste Ausschaltfeder 12 vorzugsweise als Drehfeder ausgebildet mit zwei Enden, wobei das eine Ende am Schalthebel 9 und das andere Ende an einem ersten Fortsatz 14 der Schaltplatine 11 befestigt ist. Die zweite Ausschaltfeder 13 ist vorzugsweise als Zugfeder ausgebildet und weist ebenfalls zwei Enden auf, wobei das eine Ende an einem zweiten Fortsatz 15 der Schaltplatine 11 und das andere Ende am Schalthebel 9 befestigt ist.
Das erfindungswesentliche Merkmal besteht darin, dass in der Schaltschlossmechanik mit Kniegelenk mindestens zwei Ausschaltfedern vorgesehen sind. Dies können zum Beispiel eine Zugfeder und eine Drehfeder sein. Daraus ergibt sich die Gleichung für die Kraft F, die am oberen U-Bügel wirkt: $F = F_{Zugfeder} + F_{Drehfeder} bzw . F = F_{1} + F_{2}$
F_zugfeder entspricht der Kraftwirkung am oberen, ersten U-Bügel, die von einer irgendwo im Getriebe angeordneten Zugfeder herrührt.
F_Drehfeder entspricht der Kraftwirkung am oberen, ersteren U-Bügel, die von einer irgendwo im Getriebe angeordneten Drehfeder herrührt.
Jede einzelne Ausschaltfeder ist kräftemäßig so dimensioniert, dass sie die Hauptkontakte allein ein kleines Stück öffnen kann. Der Öffnungsweg, der durch eine Ausschaltfeder erzielt werden kann ist so groß, dass bei Nennspannung ein Stromfluss über die Hauptkontakte zum Erliegen kommt. Die Wirkung der Rückstellfeder in der Zahnwippe ("Mdf") ist so dimensioniert, dass das Kniegelenk bei Belastung mit zwei Ausschaltfedern gestreckt bleibt, aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung gegen den Uhrzeigersinn bewegt wird. $" F_{1} + F_{2} " \times " H " > " Mdf "$
$" F_{1} " \times " H " < " Mdf "$
und $" F_{2} " \times " H " < " Mdf "$
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkung der Rückstellfeder in der Handhabe, also in der Zahnwippe so dimensioniert ist, dass das Kniegelenk bei Belastung mit zwei Ausschaltfedern gestreckt bleibt, aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder in die Aus-Stellung bewegt wird. Der Vorteil besteht darin, dass bei Bruch einer Ausschaltfeder im Schaltschloss sich das Niederspannungsschutzgerät selbständig ausschaltet. Die Anlage kommt so zum Stillstand, und der Fehler wird entdeckt, noch bevor eine gefährliche Situation eintritt.
Das erfindungsgemäße Schaltschloss ermöglicht eine zuverlässige Funktion und minimiert das Risiko für unerkannte Materialmängel.

Claims

Schaltschloss (1) insbesondere für Niederspannungsschutzgeräte mit einem Kniegelenk, welches eine Handhabe (2) mit einem ersten daran befestigten U-Bügel (3) umfasst, wobei in der Handhabe (2) ein Federelement (4) angeordnet ist und wobei der erste U-Bügel (3) mechanisch in Wirkverbindung mit einer Klinke (7) steht, welche über einen zweiten U-Bügel (8) mechanisch mit einem Schalthebel (9) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4) in der Handhabe (2) derart ausgebildet ist, dass das Kniegelenk bei Belastung mit einer Mehrzahl an Ausschaltfedern (12,13) gestreckt bleibt, sich aber bei Belastung mit nur einer Ausschaltfeder (12 oder 13) in die ausgeschaltete Stellung bewegt, wobei jede einzelne Ausschaltfeder (12,13) kräftemäßig so dimensioniert ist, dass sie die Hauptkontakte allein ein kleines Stück öffnen kann und wobei in der eingeschalteten Schaltstellung das Federelement (4) die Handhabe (2) mit einem ersten Drehmoment ("Mdf") beaufschlagt und wobei dem ersten Drehmoment ein zweites Drehmoment mit eine Hebelarm ("H") und einer Kraft ("F") entgegenwirkt und wobei das zweite Drehmoment ("F"x"H") in der eingeschalteten Schaltstellung größer als erste Drehmoment ("Mdf") ist.
Schaltschloss (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabe (2) als Zahnwippe ausgebildet ist.
Schaltschloss (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (4) als Drehfeder ausgebildet ist.
Schaltschloss (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ausschaltfeder (12) als Drehfeder ausgebildet ist.
Schaltschloss (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ausschaltfeder (12) zwei Enden aufweist, wobei das eine Ende am Schalthebel (9) und das andere Ende an einem ersten Fortsatz (14) an einer Schaltplatine (11) befestigt ist.
Schaltschloss (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Ausschaltfeder (13) als Zugfeder ausgebildet ist.
Schaltschloss (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ausschaltfeder (13) zwei Enden aufweist, wobei das eine Ende an einem zweiten Fortsatz (15) einer Schaltplatine (11) und das andere Ende am Schalthebel (9) befestigt ist.
Schutzgerät, insbesondere Niederspannungsschutzgerät mit einem Schaltschloss nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Schutzgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungsschutzgerät ein Leistungsschalter ist.
Schutzgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederspannungsschutzgerät ein Motorabzweig ist.