DE10058419C1 - Leistungsschutzschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft strombegrenzende Schalter, insbesondere Leistungsschutzschalter mit mindestens einer Kontaktanordnung, die mindestens ein bewegliches (10) und mindestens ein festes Kontaktstück (12) umfaßt, weiterhin mit DOLLAR A - einer Erfassungseinrichtung (14) für die Stärke und Richtung des Laststroms (i), DOLLAR A - einer Auswerteschaltung (16) für das Auslösen des Schalters im Überlastfall und DOLLAR A - mindestens einer Leiterschleife (20) für einen Strompfad zur Erzeugung elektrodynamischer Kräfte für die Unterstützung der Öffnungsbewegung der Kontaktanordnung im Überlastfall. Die Leiterschleife ist in Bezug zum beweglichen Kontaktstück so ausgebildet, daß das Magnetfeld des Überlaststroms zusammen mit dem Magnetfeld des von einem Energiespeicher abfließenden und/oder rückfließenden Schaltstroms eine öffnende Kraft auf das bewegliche Kontaktstück vermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft strombegrenzende Leistungsschutzschalter.

Es sind elektrische Schalter mit elektrodynamischem Antrieb, sogenanntem Thom­ son-Antrieb bekannt, siehe beispielsweise EP 0561 485 B1. Der Thomson-Antrieb arbeitet mit mindestens einer Spule und einer gegenüberliegenden Scheibe aus leit­ fähigem Material, in der bei Erregung der Spule, z. B. durch Entladung eines Energie­ speichers ein Strom induziert wird. Die gegeneinander gerichteten Ströme bewirken eine Kraft auf die Scheibe, die mit einem Kontaktstück in Verbindung steht. Die Kraft­ wirkung ist sehr schnell; jedoch sind zusätzliche Teile, mindestens Antriebsspule, lei­ tende Scheibe und Energieversorgung notwendig.

Strombegrenzende Schalter haben zwei Anforderungen zu erfüllen, die technisch zueinander gegenläufige Effekte mit sich bringen.

Zum einen soll eine ausreichende, schließende Kontaktkraft vorhanden sein, die im eingeschalteten Zustand für einen geringen Kontaktwiderstand und damit für eine geringe Verlustwärme des Schalters sorgt. Schließende Kontaktkräfte werden häufig durch den Einsatz einer Kontaktkraftfeder erzeugt.

Zum anderen sollen die Kontakte beim Auftreten eines unzulässigen Überstroms so schnell wie möglich geöffnet werden, um den tatsächlich fließenden Überstrom klein zu halten. Dazu werden die Kontaktapparate im allgemeinen durch Leiterschleifen und/oder Eisenteile so gestaltet, daß durch das Magnetfeld des abzuschaltenden Stroms eine öffnende Kraft auf das Schaltstück vermittelt wird. Eine solche Ausfüh­ rung findet sich beispielsweise in EP 419 324 B1. Ein Nachteil solcher Schalter liegt in der aufwendigen Gestaltung der Leiterschleifen, was zu einem hohen Herstellaufwand führt. Die Elemente der Leiterschleife müssen entweder aus mehreren Bauteilen zu­ sammengefügt oder Teile aus leitendem Material müssen gestanzt und gebogen wer­ den.

Bei höheren, aber noch nicht unzulässigen Überströmen - beispielsweise bei Motor­ anlaufströmen - baut sich eine öffnende Kraft des Kontaktapparats auf, die der schlie­ ßenden Kraft (beispielsweise von einer Kontaktkraftfeder) entgegen wirkt und damit die wirksame Kontaktkraft verringert. Diese öffnende Kraft ist in erster Näherung proportional zum Quadrat des Stroms, so daß bei einem zulässigen Motoranlaufstrom in der Größenordnung des 14fachen Nennstroms eine fast um den Faktor 200 größere Kraft auftritt.

Um ein Abheben der Kontakte im zulässigen Überstrom- oder Überlastfall zu vermei­ den, ist es notwendig, zuverlässig dafür zu sorgen, daß die schließende Kraft (bei­ spielsweise durch die Dimensionierung der Kontaktkraftfeder) immer größer ist als die öffnende Kraft des Kontaktapparats. Dies versucht man dadurch zu erreichen, daß die Kontaktkraft auf die öffnende Kraft der Leiterschleife dimensioniert wird. Zum Ermit­ teln und Abgleich der Kräfte sind somit aufwendige Designarbeiten notwendig. Die die Öffnung unterstützenden elektrodynamischen Kräfte kennt der Fachmann unter dem Begriff der Holmschen Öffnungskraft, auch in der DE 29 26 166 A1 kurz dargestellt.

Aus der DE-AS 21 41 525, insbesondere den Figuren, ist ein strombegrenzender Schalter mit mindestens einer Kontaktanordnung bekannt, die ein bewegliches und ein festes Kontaktstück umfasst. Weiterhin ist eine Erfassungseinrichtung für die Stär­ kung des Laststroms und eine Auswerteschaltung für das Auslösen des Schalters im Überlastfall vorgesehen. Weiter ist mindestens eine Leiterschleife für einen Strompfad zur Erzeugung elektrodynamischer Kräfte für die Unterstützung der Öffnungsbewe­ gung der Kontaktanordnung im Überlastfall vorgesehen, wobei die Leiterschleife in der Nähe des beweglichen Kontaktstücks abgeordnet ist.

Die US 4,292,611 zeigt einen Schalter mit festen und beweglichen Kontakten, Erfas­ sungseinrichtung und Auswerteschaltung. Mehrere Leiterschleifen bilden eine Spule, die im Überlastfall von einem vom Laststrom unabhängigen Schaltstrom durchflossen wird und aus einem Kondensator gespeist wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ausgestaltung eines strombegrenzen­ den Schalters anzugeben, deren öffnende Kraft des Kontaktapparats für den Über­ lastfall dimensioniert ist und der mit einer möglichst einfach gestalteten Leiterschleife auskommt.

Ausgehend von dem eingangs genannten Schalter wird die Aufgabe erfindungsge­ mäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Der Kern der Erfindung besteht darin, daß erst im Überlastfall die Leiterschleife von einem zusätzlichen Schaltstrom durchflossen wird, der unabhängig vom Laststrom vorbestimmt ist und die Leiterschleife in bezug zum beweglichen Kontaktstück so ausgebildet ist, daß der Schaltstrom in einem ersten Teil der Leiterschleife gleichsin­ nig und in einem zweiten Teil gegensinnig zum Laststrom fließt. Die erfindungsgemä­ ße Maßnahme kann für jede Phase eines Schalters vorgesehen sein.

Die Erfindung kann Anwendung finden für alle strombegrenzende Schalter oder Gerä­ te, die einen Überstrom selbsttätig erkennen und abschalten müssen, insbesondere Leistungsschutzschalter.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die strombegrenzenden Eigenschaften durch die verringerten, kleineren Kontaktkräfte verbessert werden. Weiterhin steht schon bei kleinen Kurzschlußströmen die volle Stromstärke des Schaltstroms durch die gesamte Energie eines Energiespeichers zur Verfügung. Dies führt zu einer Verbesserung der Schaftleistung und zu einer Verringerung des Risikos von Verschweißungen bei Kurz­ schlußströmen knapp oberhalb der Abhebegrenze.

Bei betriebsmäßigen Strömen und Überströmen treten keine öffnenden Kräfte über die Leiterschleife auf, welche sonst vorhanden sind und der Kontaktkraft entgegen wirken.

Es kann eine kleinere Kontaktkraftfeder verwendet werden, die nur die Kraft einer einfachen Stromzuführung kompensieren muß, da die Leiterschleife nicht ausge­ dehnt, sondern geradlinig ausgebildet werden kann. Die Kontaktkraft (Schließkraft der Kontaktkraftfeder) wird wie sonst auch dimensioniert, d. h. auf den für den Anwen­ dungsfall maximal zulässigen Strom, z. B. den mehrfachen Motoranlaufstrom bei der Verwendung als Motorschalter. Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist wegen der fehlenden oder nur niederinduktiv ausgebildeten Stromschleife die elektromagneti­ sche Öffnungskraft des Laststroms geringer als bei den eingangs erwähnten strom­ begrenzenden, die Thomson-Kraft ausnutzenden Schaltern.

Die Verlustleistung des Schalters wird verringert, da der Bahnwiderstand wegen der vereinfachten Stromzuführung kleiner wird. Die Ausbildung der Leiterschleife wird vorzugsweise niederinduktiv vorgenommen; d. h. wenige Windungen der Schleife sind vorteilhaft, um einen schnellen Anstieg des Stroms in dieser Schleife zu erreichen. Es ist zwar prinzipiell machbar, dass die Leiterschleife auch vom Laststrom durchflossen werden kann, doch ist eine solche Anordnung weniger günstig, da der Laststrom in der Schleife wieder abgeschaltet werden müsste.

Die Leiterschleife ist in Bezug zum beweglichen Kontaktstück so ausgebildet, daß das Magnetfeld des Überlaststroms zusammen mit dem Magnetfeld des vom Energie­ speicher abfließenden und/oder rückfließenden Schaltstroms eine öffnende Kraft auf das bewegliche Kontaktstück vermittelt. Hiernach sollte die Leiterschleife eine gewisse Strecke parallel zum beweglichen Kontaktstück verlaufen, so daß sich das durch den Schaltstrom ausbildende Magnetfeld gleichsinnig und gegensinnig zum Magnetfeld des Laststroms im beweglichen Kontaktstück ausbildet. Die Leiterschleife kann vorzugsweise als Blaspule für einen Schaltlichtbogen ausgebildet sein.

Die Auswerteschaltung ist nach möglichen Kriterien für den Eintritt des Überlastfalls programmierbar ist. Der Fachmann kann für den Anwendungsfall bestimmte Kriterien bezüglich Zeit, Stromanstieg und/oder Stromstärke auswählen und einstellen. Dem Fachmann sind auch Kurzschluß-Erkennungsalgorithmen bekannt, mit denen er die Werte eines einstellbaren zulässigem Überstroms in Korrelation zum Stromanstieg (di/dt) abstimmen kann.

Weiterführende Ausführungsformen ergeben sich aus dem folgenden:
Der Schaltstrom wird aus einem Energiespeicher gespeist, der als Kondensator aus­ gebildet sein kann.

Der Energiespeicher kann unabhängig von der Schaltstellung des Schalters ladbar sein. Der Energiespeicher kann beim Ausschalten des Schalters galvanisch vom Netz trennbar und beim Zuschalten des Schalters an das Netz der Energiespeicher ladbar sein, bevor der Kontaktapparat des Schalters geschlossen wird.

Die galvanische Trennung ist vom Netz durch ein Schaltschloß im Schalter vollzieh­ bar.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren. Sie zeigen im Ein­ zelnen

Fig. 1 eine schematische Darstellung und

Fig. 2 den Ladekreis für den Energiespeicher bei einem Motorschutzschalter.

Fig. 1 zeigt ein schematische Darstellung der Erfindung. Der Laststrom i fließt durch das bewegliche Schaltstück 10 mit mindestens einer Kontaktstelle und das feste Kontaktstück 12. Die Kontaktstelle kann als Einfach- oder als Doppelunterbrechung ausgebildet sein.

Der Strompfad 20 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er räumlich keine ausge­ prägte Leiterschleife durchläuft, wodurch keine zusätzliche elektromagnetische Öff­ nungskraft auftritt. Als weitere Möglichkeit kann jedoch der Strompfad der Leiter­ schleife so gestaltet sein, daß er schließende Kräfte erzeugt.

Eine Stromerfassungseinrichtung 14, die wie übliche Auslöser ausgebildet sein kann, erfaßt den Laststrom i. Eine vorzugsweise digital ausgebildete, elektronische Strom­ auswerteeinheit 16 erkennt durch Vergleich mit vorgebbaren Kriterien Ki (beispiels­ weise Stromstärke, Zeit und/oder Stromsteilheit), ob ein unzulässiger Überstrom und in welche Richtung er fließt. Die Stromauswerteeinheit kann vorzugsweise program­ mierbar gestaltet sein. Alternativ kann auch eine feste Voreinstellung vorgesehen sein. Wird ein unzulässiger Überstrom erkannt, wird durch Ansteuerung eines elektro­ nischen Schalters 18 (beispielsweise einer Thyristor-Brücke) der Energiespeicher 30 (beispielsweise ein Kondensator) so entladen, daß der Entladestrom (Schaltstrom i_c) in der mit den Pfeilen eingezeichneten Richtung durch die Leiterschleife 20 fließt. Hiermit wird eine öffnende Kraft auf das Schaltstück 10 ausgeübt. In der Dar­ stellung fließt der Schaltstrom i_c im unteren Teil der Leiterschleife 20 in gleicher Richtung wie der Laststrom i_c im Schaltstück 10. Laststrom und Schaltstrom erzeugen eine zueinander gerichtete Anziehung. Im oberen Teil der Leiterschleife fließen Last­ strom und Schaltstrom gegensinnig, sie erzeugen eine gegeneinander gerichtete, abstoßende Kraft.

Bei Wechselstrom ändert der Strom in jeder Halbwelle seine Richtung, d. h. bei 50 Hz findet alle 10 ms ein Richtungswechsel statt. Die Auswerteeinheit 16 ist so ausge­ staltet, dass die Richtung des Stromflusses erkannt wird. Abhängig von der Richtung des Stroms wird jeweils einer der beiden Thyristoren im Schalter 18 durchgeschaltet, so dass der Strom i_c in der gewünschten Richtung fließen kann. Im gezeichneten Bei­ spiel sind der oberste und der unterste Thyristor durchgeschaltet.

Zum Aufladen und zur Aufrechterhaltung des Energiespeichers 30 wird ein Ladekreis (Fig. 2) verwendet und ist als ein Beispiel für Kondensatoren 30' für die Phasen L1, L2, L3 dargestellt. Die Kondensatoren 30' werden jeweils zwischen zwei Außenleitern über eine Diode aufgeladen. Der Ladekreis befindet sich auf der Netzseite des Schalters. Damit können die Energiespeicher 30' auch bei ausgeschaltetem Schalter aufgeladen werden, um so beispielsweise auch beim Draufschalten auf einen beste­ henden Kurzschluß aktiv sein zu können.

Wenn eine galvanische Trennung auf der Netzseite des Schalters notwendig ist, kann eine Trennung der Kondensatoren 30' beim Ausschalten durch den Kraftspeicher (das Schloß) vorgesehen werden. Beim Einschalten werden in dieser Ausführungsform zuerst die Energiespeicher an die Netzspannung gelegt, um sie aufzuladen. Die Hauptkontakte 31 des Schalters werden nach Aufladung der Kondensatoren verzö­ gert geschlossen.

Claims (6)

1. Strombegrenzender Schalter, insbesondere Leistungsschutzschalter, mit minde­ stens einer Kontaktanordnung, die mindestens ein bewegliches (10) und mindestens ein festes Kontaktstück (12) umfaßt, weiterhin mit
einer Erfassungseinrichtung (14) für die Stärke und Richtung des Laststroms (i),
einer Auswerteschaltung (16) für das Auslösen des Schalters im Überlastfall und
mindestens einer Leiterschleife (20) für einen Strompfad zur Erzeugung elektrody­ namischer Kräfte für die Unterstützung der Öffnungsbewegung der Kontaktanordnung im Überlastfall,
wobei im Überlastfall die Leiterschleife (20) von einem vom Laststrom (i) unabhängi­ gen Schaltstrom (i_c) durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ schleife (20) in bezug zum beweglichen Kontaktstück (10) so ausgebildet ist, daß der Schaltstrom (i_c) in einem ersten Teil der Leiterschleife (20) gleichsinnig und in einem zweiten Teil gegensinnig zum Laststrom (i) fließt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltstrom (i_c) aus einem Energiespeicher (30), vorzugsweise aus einem Kondensator gespeist wird.

3. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (30) unabhängig von der Schaltstellung des Schalters ladbar ist.

4. Schalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (30) beim Ausschalten des Schalters galvanisch vom Netz trennbar und beim Zuschalten des Schalters an das Netz der Energiespeicher ladbar ist, bevor der Kontaktapparat des Schalters geschlossen wird.

5. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (16) nach möglichen Kriterien (Ki) für den Eintritt des Ü­ berlastfalls programmierbar ist.

6. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (20) als Blaspule für einen Schaltlichtbogen ausgebildet ist.