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Die
Erfindung betrifft ein Installationsschaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und einen Thermischen-Aktor für
ein Installationsschaltgerät
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11, sowie ein Installationsschaltgerät nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 22.
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Ein
solches Installationsschaltgerät
ist beispielsweise ein Selektivschutzschalter, mit einem Hauptstrompfad,
der eine Reihenschaltung von einer ersten Kontaktstelle (Trennstelle),
einem magnetischen Auslöser,
einer zweiten Kontaktstelle (Hauptkontakt) und einem ersten thermischen
Auslöser (Haupt-Thermobimetall-Auslöser) umfasst.
Weiterhin weist ein gattungsgemäßes Installationsschaltgerät einen
parallel zur Trennstelle angeordneten Parallelstrompfad (Selektivstromkreis)
auf, der einen strombegrenzenden Widerstand (Selektivwiderstand)
und einen zweiten, auf das Schaltschloss einwirkenden, thermischen
Auslöser
(Selektiv-Bimetall-Auslöser) umfasst,
wobei der erste und/oder der zweite thermische Auslöser über ein
Schaltschloss die zweite Kontaktstelle öffnen können.
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Solchen
gattungsgemäßen Selektivschutzschalter
werden in einer Hausinstallation zum selektiven Schutz nachgeschalteter
Stromkreise eingesetzt. Der thermische Überlastschutz erfolgt durch
einen thermischen Auslöser
mit relativ träger
Auslösecharakteristik.
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In
der
DE 102 61 994
A1 ist ein gattungsgemäßer Selektivschutzschalter
beschrieben. Bei Auftreten eines Kurzschlusses im nachgeschalteten Stromkreis
schlägt
dort ein magnetischer Auslöser eine
erste Kontaktstelle im Hauptstrompfad auf. Der Strom kommutiert
dann in einen parallel zur ersten Kontaktstelle liegenden Selektivstromkreis
mit einem zweiten thermischen Auslöser. Nach Eintritt der Auslösebedingung
für den
zweiten thermischen Auslöser öffnet dieser über ein
Schaltschloss den Hauptkontakt.
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Selektives
abschalten bedeutet, dass „kleine" Kurzschlussströme, die
hinter den nachgeschalteten Leitungsschutzschaltern auftreten und
in der Regel 6kA nicht übersteigen,
von diesen und nicht von dem gattungsgemäßen Selektivschutzschalter abgeschaltet
werden sollen. Erst, wenn nach einer gewissen Zeit der „kleine" Kurzschlussstrom
nicht abgeschaltet ist, soll der gattungsgemäße Selektivschutzschalter abschalten. „Große" Kurzschlussströme, die
vor den nachgeschalteten Leitungsschutzschaltern auftreten und etwa
6kA und mehr betragen, sollen hingegen von dem gattungsgemäßen Selektivschutzschalter
sofort abgeschaltet werden.
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Bei
dem in der
DE 102
61 994 A1 gezeigten Selektivschutzschalter fließt ein „großer" Kurzschlussstrom
zunächst
eine Zeit lang über
den Selektivstromkreis, bis die Auslösebedingung des zweiten thermischen
Auslösers
erfüllt
ist und dieser, wie oben beschrieben, den Hauptkontakt öffnet. Der
zweite thermische Auslöser
darf dabei keine allzu flinke Charakteristik aufweisen, da ein „kleiner" Kurzschlussstrom
ja erst nach einer gewissen Zeit von diesem abgeschaltet werden
soll. Somit fließt
auch ein „großer" Kurzschlussstrom
immer eine gewisse Zeit lang über
den Selektivstromkreis, was zu einer Belastung des Selektivkreises
sowie der Hauptkontaktstelle führt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit einfachen
und kostengünstigen
Mitteln die Belastung im Selektivstromkreis beim Ausschalten „großer" Kurzschlussströme zu senken.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Installationsschaltgerät
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen
Thermischen-Aktor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs
11.
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Erfindungsgemäß also bewirkt
der Haupt-Thermobimetall-Auslöser
bei hohen Bimetall-Strömen eine
schnellere Auslösung
als bei niedrigen Bimetall-Strömen.
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Der
Haupt-Thermobimetall-Auslöser
kann dabei vorteilhafterweise ein Haupt-Thermobimetall-Element und einen Zusatzhebel
umfassen, wobei aufgrund der magne tischen Wirkung des Haupt-Thermobimetallstromes
eine Kraft so auf den Zusatzhebel wirkt, dass bei Überschreiten
eines Schwellenwertes des Haupt-Thermobimetallstromes der Zusatzhebel über das
Schaltschloss die zweite Kontaktstelle öffnet.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
liegt darin, dass der erfindungsgemäße Kontakthebel eine sehr viel
schnellere Auslösecharakteristik
aufweist als das Thermobimetall-Element. Er wird durch die Magnetkraft
nahezu verzögerungsfrei betätigt. Dabei
löst er
erst aus, wenn der durch das Haupt-Thermobimetall fließende Strom
den Schwellenwert, der ihn als „großen" Kurzschlussstrom charakterisiert, überschritten
hat. Solange nur ein „kleiner" Kurzschlussstrom
fließt,
folgt der Haupt-Thermobimetall-Auslöser der
Charakteristik des Thermobimetall-Elementes. Wenn aber ein „großer" Kurzschlussstrom
fließt,
wird dieser nahezu verzögerungsfrei
ausgeschaltet.
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Als
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das ganze erfindungsgemäße Schaltgerät kleiner und
damit kostengünstiger
hergestellt werden kann, da die nahezu verzögerungsfreie Abschaltung „großer" Kurzschlussströme wesentlich
kleinere thermische Verluste im Selektivstromkreis zur Folge hat.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung öffnet bei Überschreiten
eines Schwellenwertes des Haupt-Thermobimetallstromes das freie
Ende des Zusatzhebels entgegen der Kraft einer Fesselfeder über das
Schaltschloss die zweite Kontaktstelle. Über die Federcharakteristik der
Fesselfeder kann die Auslöseschwelle
des Zusatzhebels beeinflusst werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise befindet sich der Anlenkpunkt der
Fesselfeder an der Innenseite des Installationsschaltgerätegehäuses.
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Ein
erfindungsgemäßer Thermobimetall-Aktor
für ein
Installationsschaltgerät
umfasst ein einseitig fixiertes, von einem Bimetall-Strom durchflossenes
Thermobimetall-Element,
dessen freies Ende entsprechend der Thermobimetall-Charakteristik
mit einem von dem Thermobimetall-Aktor zu betätigenden Funktionsteil zusammenwirken
kann, und weist bei hohen Bimetall-Strömen eine kürzere Verzögerungszeit auf als bei niedrigen
Bimetall-Strömen.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Thermobimetall-Aktor einen Zusatzhebel,
wobei aufgrund der magnetischen Wirkung des Bimetallstromes eine Kraft
so auf den Zusatzhebel wirkt, dass bei Überschreiten eines Schwellen wertes
des Bimetallstromes das Funktionsteil von einem freien Ende des
Zusatzhebels betätigt
wird.
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Das
freie Ende des Zusatzhebels kann dabei entgegen der Kraft einer
Fesselfeder mit dem Funktionsteil zusammenwirken.
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Als
Funktionsteil kann beispielsweise der Auslösehebel des Schaltschlosses
in Frage kommen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und
weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltschema eines erfindungsgemäßen Installationsschaltgerätes,
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2a ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Thermobimetall-Aktors
für ein
Installationsschaltgerät,
im Ruhezustand,
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2b den
Thermobimetall-Aktor nach 2a bei „großem" Kurzschlussstrom
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2c den
Thermobimetall-Aktor nach 2a bei „kleinem" Kurzschlussstrom
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Die 1 zeigt
eine Schaltungsanordnung für
einen erfindungsgemäßen Selektivschutzschalter 10.
In einem Hauptstrompfad 18 befindet sich eine erste Kontaktstelle 11 sowie
eine zweite Kontaktstelle 19; beide sind in Reihe geschaltet.
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Ebenfalls
im Hauptstrompfad 18 und in Reihe zu den beiden Kontaktstellen 11, 19 geschaltet, befindet
sich ein erster thermischer Auslöser 36,
der auf den Auslösehebel 25 eines
Schaltschlosses 21 wirkt, sowie ein magnetischer Schlaganker 40.
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Bei
dem ersten thermischen Auslöser 36 ist ein
Zusatzhebel 50 angeordnet, der über eine Wirklinie 52 ebenfalls
auf den Auslösehebel 25 des
Schaltschlosses 21 wirkt.
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Der
magnetische Schlaganker 40 ist über die Wirklinie 41 mit
der ersten Kontaktstelle 11 verbunden. Er bringt sie in
Offenstellung, wenn er von einem Kurzschlussstrom durchflossen wird.
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Parallel
zu der ersten Kontaktstelle 11 ist ein Parallelstrompfad 15 geschaltet,
in dem ein Widerstandskörper 16 angeordnet
ist. Elektrisch in Reihe zu dem Widerstandskörper 16 geschaltet
befindet sich in dem Parallelstrompfad 15 ein zweiter thermischer
Auslöser 20,
der hier auch als Selektivthermobimetall bezeichnet ist und welcher
ebenfalls auf das Schaltschloss 21 wirkt.
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Das
Schaltschloss 21 ist über
die Wirklinie 23 mit der zweiten Kontaktstelle 19 verbunden.
Die Wirklinien der Thermobimetalle 20, 36 auf
das Schaltschloss sind mit den Bezugsziffern 24 und 24a bezeichnet.
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Wenn
der Schalter 10 gemäß 1 einen Kurzschluss
in einem nachgeschalteten Stromkreis abschalten soll, dann wird
von dem magnetischen Schlaganker 40 über die Wirklinie 41 zunächst die Kontaktstelle 11 geöffnet. Dabei
wird dann der Strom in den Parallelstrompfad kommutiert und durch
den Widerstandskörper 16 begrenzt,
wobei die zweite Kontaktstelle 19 noch geschlossen ist.
Der durch den Widerstand 16 begrenzte Strom durchfließt die Spule des
magnetischen Schlaganker 40 und dieser hält damit
die Kontaktstelle 11 offen.
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Solange
der Kurzschlussstrom nicht abgeschaltet wird, erwärmt sich
das Thermobimetall 20 und schaltet nach Ablauf seiner Verzögerungszeit
auf diese Weise schließlich
die Kontaktstelle 19 ab, wodurch dann der Stromfluss in
der von dem Selektivschutzschalter geschützten Leitung vollständig unterbrochen
ist.
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Wenn
nun in einem nachgeordneten Leitungsschutzschalter der Kurzschluss
abgeschaltet wird, bevor die Verzögerungszeit des Selektivthermobimetalls 19 abgelaufen
ist, dann sinkt der Stromfluss durch den magnetischen Schlaganker 40 wieder
unter die Auslöseschwelle
und die Kontaktstelle 11 schließt.
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Steigt
der Kurzschlussstrom über
einen festgelegten Schwellenwert an, beispielsweise über 6 kA,
was einen „großen" Kurzschlussstrom
bedeutet, wie er in der Regel nur vor einem nachgeschalteten Leitungsschutzschalter
auftreten kann, so wird durch das auf grund des Stromflusses im ersten
thermischen Auslöser 36 entstehende
Magnetfeld der Zusatzhebel 50 gegen seine Fesselfeder zu
dem Thermobimetall-Element des ersten Thermobimetall-Auslösers hin
angezogen. Der Zusatzhebel 50 löst dann über den Auslösehebel 25 das
Schaltwerk 21 aus, wodurch die zweite Kontaktstelle 19 geöffnet und
der Kurzschlussstrom abgeschaltet wird. Die Abschaltung durch den
Zusatzhebel geschieht sofort und verzögerungsfrei, da der Zusatzhebel
eine kleine Massenträgheit
aufweist. Die Abschaltung durch den Zusatzhebel geschieht deutlich
schneller als durch das Thermobimetall-Element des ersten thermischen Auslösers 36.
Dadurch fließt
der „große" Kurzschlussstrom
von über
6 kA für
eine sehr kurze Zeit nur durch den Selektivkreis, entsprechend gering
ist auch die thermische Belastung des Selektivkreises und die Belastung
der zweiten Kontaktstelle 19. Die Ansprechschwelle des
Zusatzhebels 50 kann dabei durch den Abstand des Zusatzhebels 50 von
dem Thermobimetall-Element des ersten thermischen Auslösers 36 und
durch die Federcharakteristik der Fesselfeder eingestellt werden.
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2a bis 2c zeigen
in schematisierter Form eine konkrete Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Thermobimetall-Aktors 100,
wie er in einem Installationsschaltgerät nach 1 eingesetzt werden
kann, bei unterschiedlichen Kurzschlussströmen.
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Es
sei zunächst 2a betrachtet,
hier fließt Nennstrom,
und noch kein Kurzschlussstrom. Das Thermobimetall-Element 102 (in 1 mit
der Bezugsziffer 36 bezeichnet) ist in Form eines Blechstreifens
ausgebildet und an einer Fixierungsstelle 122 einseitig
fixiert. Über
einen Litzenleiter einen 104 wird der Stromfluss dem Thermobimetall-Element 102 zu- und über einen
Litzenleiter 106 wieder abgeführt. Fließt ein Strom größer als
der Nennstrom durch das Thermobimetall-Element 102, so
verbiegt es sich mit seinem freien Ende, wie in der 2b und 2c gezeigt,
nach rechts in Richtung auf den Auslösehebel 112 eines
Schaltschlosses des Installationsschaltgerätes hin. Nach Ablauf der der
Auslösecharakteristik
entsprechenden Verzögerungszeit
hat sich das freie Ende des Thermobimetall-Elementes 102 so
weit verbogen, dass es mit dem Auslösehebel 112 zusammenwirken
und somit die Auslösung
des Schaltwerkes bewirken kann.
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Nahe
der Fixierungsstelle 122 ist neben dem Thermobimetall-Element 102 ein
Zusatzhebel 108 angeordnet. Auch dieser ist als ein Blechstreifen
ausgebildet. Er weist an seiner der Fixierungsstelle 122 zugewandten
Seite einen Befestigungsarm 116 auf. Der Zusatzhebel 108 ist
an dem Thermobimetall-Element 102 in einer Anlenkstelle 114 schwenkbar
gelagert. Er befindet sich auf der bei Erwärmung des Thermobimetall-Elementes 102 sich
dehnenden Seite 103 des Thermobimetall-Elementes 102.
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Der
Zusatzhebel 108 weist an seinem freien Ende einen etwa
rechtwinklig angeformten Auslösefortsatz 110 in
Hakenform auf. Eine Fesselfeder 118, deren Anlenkpunkt 120 sich
an der Innenseite des Gehäuses
des Installationsschaltgerätes
befindet und in den 2a bis 2c nur
durch eine schraffierte Zone schematisch angegeben ist, zwingt den Zusatzhebel 108 bei
Nennstrom gegen einen Anschlag 124, der ebenfalls an der
Gehäuseinnenwand sich
befindet und in den 2a bis 2c nur
schematisch durch eine schraffierte Fläche 124 angedeutet
ist.
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2b zeigt
den Thermobimetall-Aktor 100 in dem Zustand, wenn ein „großer" Kurzschlussstrom von
etwa mehr als 6 kA durch das Thermobimetall-Element 102 fließt. Das
Thermobimetall-Element 102 verbiegt sich aufgrund der entstehenden
Stromwärme
so, dass sein freies Ende zu dem Auslösehebel 112 hin gebogen
wird. In der in 2b gezeigten Phase wird aufgrund
der magnetischen Wirkung des Kurzschlussstromes in dem Thermobimetall-Element 102 der
Zusatzhebel 108 verzögerungsfrei
entgegen der rückstellenden
Kraft der Fesselfeder 118 von dem Thermobimetall-Element 102 an- und in Richtung
gegen den Auslösehebel 112 hin
gezogen. Er verschwenkt dabei um seine Anlenkstelle 114 im
Uhrzeigersinn. In dieser Lage überragt
der Auslösefortsatz 110 an
dem freien Ende des Zusatzhebels 108 das freie Ende des
Thermobimetall-Elementes 102. Dadurch
wird der Auslösehebel 112 von
dem Zusatzhebel 108 ausgelöst, noch bevor die der Auslösecharakteristik
des Thermobimetalls entsprechende Verzögerungszeit des Thermobimetall-Elementes 102 abgelaufen
ist. Die Kurzschlussstrom-Abschaltung geschieht also mit einer kürzeren Verzögerungszeit, als
sie der Charakteristik des Thermobimetall-Elementes 102 entsprechen
würde.
Wenn der Kurzschlussstrom abgeschaltet wurde, wird der Zusatzhebel
durch die Fesselfeder wieder in seine Ausgangslage nach 2a gebracht.
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2c zeigt
den Thermobimetall-Aktor 100 in dem Zustand, wenn ein „kleiner" Kurzschlussstrom von
beispielsweise 4 kA durch das Thermobimetall-Element 102 fließt. Das
Thermobimetall-Element 102 verbiegt sich aufgrund der entstehenden
Stromwär me
so, dass sein freies Ende zu dem Auslösehebel 112 hin gebogen
wird und ihn auslöst.
Die magnetische Anziehungskraft auf den Zusatzhebel 108 ist
in diesem Fall nicht groß genug,
um den Zusatzhebel entgegen der Kraft der Fesselfeder 118 in
die Auslöseposition
zu bewegen. Die Kurzschlussstromabschaltung geschieht mit der der
Charakteristik des Thermobimetall-Elementes 102 entsprechenden
Verzögerungszeit.
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Der
Thermobimetall-Aktor 100 weist also bei „großen" Kurzschlussströmen eine
flinkere Charakteristik auf als bei „kleinen" Kurzschlussströmen.
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Anstelle
eines Thermobimetall-Elementes 102 könnte das Element 102 auch
aus einer Formgedächtnislegierung
bestehen. Der Thermobimetall-Aktor 100 ist dann ein Formgedächtnis-Aktor 100.
Erfindungwesentlich ist dies allerdings nicht, denn auch ein Formgedächtnis-Aktor
zeigt das typische Bimetall-Verhalten, dass er sich nämlich bei
Temperaturerhöhung
verbiegt und dabei eine charakteristische Verzögerungszeit aufweist. Die Erfindung
soll daher auch alle Ausführungsformen
umfassen, bei denen Formgedächtnis-Legierungen
als Auslöselement
eingesetzt werden.