DE102009030158A1

DE102009030158A1 - Elektrischer Selbstschalter mit geringen Energieverlusten und Doppelunterbrechung

Info

Publication number: DE102009030158A1
Application number: DE200910030158
Authority: DE
Inventors: Peter Flohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Selbstschalter zum Schutz vor elektrischer Überlastung von Leitungen und Motoren dessen thermischer Auslöser bei Normalbetrieb nicht vom Betriebsstrom durchflossen wird. Eine erste Kontaktstelle der Kontaktbrücke wird beim Auftreten eines Überstromes durch den ersten Anker des Magnetsystems geöffnet und so lange offen gehalten bis der nunmehr stromdurchflossene, thermische Auslöser das Schaltschloss entklinkt und den gefährdeten Stromkreis unterbricht. Bei Kurzschluss öffnet der zweite Anker des Magnetsystems zusätzlich schlagartig die zweite Kontaktstelle der Kontaktbrücke und entklinkt dabei gleichzeitig das Schaltschloss zur schnellen Unterbrechung des Stromkreises. Druch die Neuerung wird der Eigenverbrauch der Schutzschalter, die sogenannte Verlustleistung, bei ungestörtem Betrieb um mehr als die Hälfte gegenüber bekannten Anordnungen reduziert. Die Erfindung erfüllt somit die Forderung an die "aktive Energie-Effizienz" gemäß der Ökodesign Richtlinie der EU.

Description

Die Erfindung betrifft einen Selbstschalter mit geringen elektrischen Energieverlusten im Normalbetrieb und Doppelunterbrechung bei gestörtem Betrieb.
Ein ähnlicher Selbstschalter ist aus der deutschen Patentschrift 514807 bekannt.
Bei dieser Anordnung wird bei Eintritt des Gefahrenzustandes zunächst durch ein elektromagnetisches Auslöseorgan das bimetallische Auslöseorgan in den zu schützenden Stromkreis geschaltet und dann das Sperrorgan aus der Sperrstellung gedrückt. Diese Ausführung scheiterte in der Praxis z. B. daran, dass beim Einschalten von größeren Glühlampengruppen eine unnötige Auslösung erfolgte, sodass keine Betriebssicherheit zu erreichen war und die an sich richtige Erkenntnis, der Vermeidung von Fehlauslösungen durch gegenseitige thermische Beeinflussung durch Verlustwärme bei Selbstschaltern seit dem nicht realisiert wurde.
Aus der DE 10354505 ist ein elektrischer Selbstschalter bekannt, dessen bei bestimmungsgemäßen Betrieb kurzgeschlossenes Thermobimetall erst im Fehlerfall in den Hauptstromkreis geschaltet wird, sodass das Sperrorgan nur durch das sich ausbiegende Bimetall entklinkt werden kann. Damit wird eine kurz verzögerte Abschaltung erreicht und Selektivität zum nachgeschalteten Leitungsschutzschalter gewährleistet.
Derartige selektiv schaltende Einrichtungen auch als Hauptsicherungsautomaten bekannt, werden anstelle von Schmelzsicherungen zentral im Hausanschluss nahe der Messeinrichtung eingesetzt. Durch den an der Einbaustelle zu erwartenden hohen Betriebsstrom sind diese Schutzschalter von großem Gewicht und Abmessung. Sie sind deshalb auch wegen ihrem kurz verzögertem Abschaltverhalten als Selbstschalter in der Unterverteilung zum Schutz von z. B. Steckdosenstromkreisen wenig geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Selbstschalter mit geringen eigenen Energieverlusten zu schaffen, welcher mit niedrigen Herstellungskosten in der Massenfertigung bei seinem Einsatz in Haus- und Industrieverteilungen zum Schutz von Leitungen und Motoren in seinem Auslöseverhalten unabhängig von der Umgebungstemperatur an seinem Einbauort funktioniert.
Derzeit werden Eu-übergreifend Anforderungen an die „aktive Energieeffizienz” von Elektrogeräten gestellt und es ist sogar ein Verbot ineffizienter Stand-by-Schaltungen vorgesehen. Diesem Vorhaben trägt die Neuerung Rechnung indem die Verlustleistung von elektrischen Selbstschaltern um bis zu 50% gegenüber dem Stand der Technik gesenkt wird. So könnten z. B. allein in Deutschland bei einem Bruttostromverbrauch von ca. 600 × 10⁹ kWh/a und einem Eigenverbrauch konventioneller Schutzschaltgeräte von derzeit ca. 1,8 × 10⁹ kWh/a diese Verluste durch die Erfindung auf die Hälfte gesenkt werden, was einem Jahresstromverbrauch von 200.000 Haushalten gleichkommt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 10 gelöst.
Der elektrische Selbstschalter mit geringen Energieverlusten und Doppelunterbrechung ist in seinen Abmessungen und seinen für die Funktion erforderlichen Anzahl der Einzelteile mit bekannten Schutzschaltern vergleichbar. Er verfügt wie diese neben den Klemmen für den Leitungsanschluss, einer Löschkammer zur Strombegrenzung, einem Schaltschloss zur manuellen Betätigung, einem thermischen Überstromauslöser und einem Kurzschlussauslöser über ein Kontaktsystem bestehend aus einer Kontaktbrücke mit zwei Kontaktstellen.
Erfindungsgemäß wird je nachdem, ob ein Überstrom oder ein Kurzschluss in der gestörten Anlage ansteht, nur eine oder beide Kontaktstellen durch den Ankerstössel geöffnet. Der Ankerstössel wird seinerseits durch zwei unabhängig voneinander wirkende Magnetanker angetrieben, welche in bekannter Weise bei unterschiedlichen Stromschwellwerten durch die gemeinsame Spule reagieren.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, wird dessen Wirkungsweise näher erläutert.
Es zeigen:
1 den elektrischen Selbstschalter eingeschaltet
2 den elektrischen Selbstschalter bei Überlast
3 den elektrischen Selbstschalter bei Kurzschluss
4 den elektrischen Selbstschalter ausgeschaltet
Bei der Darstellung wurde auf Bauteile des Selbstschalters welche für das Verständnis des Erfindungsgedankens von untergeordneter Bedeutung und bekannt sind verzichtet.
In 1 fließt der Betriebsstrom von der Klemme (1) über den Gegenkontakt (2) der ersten Kontaktstelle (3) über diese durch die Kontaktbrücke (4) zur zweiten Kontaktstelle (5) über diese zum Lichtbogenkontakt (6), welcher den Gegenkontakt zur zweiten Kontaktstelle (5) bildet, über die Spule (7) des Magnetauslösers zur Klemme (8).
Der thermische Auslöser (9) ist dabei kurzgeschlossen. Die Kontaktbrücke (4) ist auf dem im Gehäuse ortsfest angebrachten Stift (10) dreh- und verschiebbar gelagert. Sie wird durch die Kontaktdruckfeder (11) welche auf dem ortsfest drehbar gelagerten Schalthebel (12) positioniert ist an den Gegenkontakt (2) bzw. an den Lichtbogenkontakt (6) der Kontaktstellen (3) und (5) gedrückt. Der Schalthebel (12) wird dabei über die Koppel (13) durch den ortsfest drehbar gelagerten Schaltgriff (14) und die Klinke (15) welche auf dem Schalthebel (12) drehbar gelagert ist in der Einschaltstellung gehalten. In dieser Position ist die am Schalthebel angelenkte Schaltfeder (16) gespannt.
In 2 ist die Funktionsweise bei dem Störfall „Überlast” dargestellt.
Dabei wird der durch den erhöhten Strom angetriebene 1. Anker des Magnetauslösers über den Ankerstössel (17) die erste Kontaktstelle (3) der Kontaktbrücke (4) entgegen der Kraft der Kontaktdruckfeder (11) von dem Gegenkontakt (2) soweit entfernen, bis der 1. Anker seinen Anschlag am ortsfesten Magnetkern des Magnetauslösers gefunden hat.
Bei dieser Bewegung der Kontaktbrücke (4) im Gegenzeigersinn dient die zweite Kontaktstelle (5) als Drehpunkt auf dem als Gegenkontakt ausgebildeten Lichtbogenkontakt (6). Der Stromfluss erfolgt in dieser Position der Kontaktbrücke von der Klemme (1) über den thermischen Auslöser (9) die flexible Litze (18) und die zweite Kontaktstelle (5) zum Lichtbogenkontakt (6) und über die Spule (7) zur Klemme (8).
Der Überlaststrom erwärmt den thermischen Auslöser (9) und hält die Kontaktbrücke mittels Ankerstössel (17) solange in ihrer Position, bis der thermische Auslöser über den Schieber (19) durch seine Ausbiegung die Klinke (15) im Uhrzeigersinn dreht und den Schalthebel (12) freigibt.
Unter der Wirkung der Schaltfeder (16) dreht der Schalthebel im Uhrzeigersinn und öffnet über den Steuernocken (20) die zweite Kontaktstelle (5) der Kontaktbrücke. Der gestörte Stromkreis ist unterbrochen.
Die 3 zeigt den funktionellen Vorgang im Kurzschlussfall.
Als Vielfaches des Überlaststromes bringt der Kurschlussstrom zusätzlich den 2. Anker des Magnetauslösers zum Ansprechen, sodass der Ankerstössel (17) seine Bewegung fortsetzt und die erste Kontaktstelle (3) der Kontaktbrücke (4) weiter vom Gegenkontakt (2) entfernt. Dabei bleibt der Drehpunkt der zweiten Kontaktstelle (5) auf dem Lichtbogenkontakt (6) zunächst erhalten. Bei dieser Bewegung trifft jedoch das Ende (21) der Kontaktbrücke (4) auf die Klinke (15) welche sich dadurch im Uhrzeigersinn dreht und den Schalthebel (12) freigibt. Kurz danach schlägt die Kontaktbrücke (4) mit ihrer ersten Kontaktstelle (3) an den ortsfesten Stift (10) an.
Dieser wird nun zum neuen Drehpunkt für die Kontaktbrücke wodurch diese ihre Bewegungsrichtung umkehrt, sodass sich die zweite Kontaktstelle (5) schlagartig vom Lichtbogenkontakt (6) entfernt und sie damit die Strombegrenzung einleitet. Die Bewegung ist beendet wenn der 2. Anker auf den ortsfesten Magnetkern des Magnetauslösers auftrifft.
Praktisch gleichzeitig hat sich er Schalthebel (12) unter der Wirkung der Schaltfeder (16) im Uhrzeigersinn gedreht und über den Steuernocken (20) die Kontaktbrücke in der Endlage „AUS” positioniert. Die Strombegrenzung erfolgt bei der Kurzschlussabschaltung in bekannter Weise mittels Löschkammer.
In der 4 ist die Schaltstellung „AUS” dargestellt. Man erkennt, dass sich der Angriffspunkt der Kontaktdruckfeder zwischen dem Steuernocken (20 und der ersten Kontaktstelle (3) befindet. Demzufolge kontaktiert auch im ausgeschalteten Zustand die erste Kontaktstelle mit dem Gegenkontakt (2), sodass auch bei manueller Betätigung des Selbstschalters nur der Lichtbogenkontakt (6) die Schaltarbeit verrichtet und die erste Kontaktstelle dabei den Drehpunkt der Kontaktbrücke (4) auf dem Gegenkontakt (2) bildet.
Durch seinen einfachen Aufbau und die geringe Teilezahl sowie durch den Wegfall von jeglichem Justieraufwand ist der elektrische Selbstschalter für die mechanisierte Massenfertigung sehr gut geeignet.
Für den Praktiker sind insbesondere das präzise Einhalten konventioneller Vorgaben bezüglich Leitungs- und Motorschutz sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen am Einbauort wesentlich.
Die signifikante Senkung des Eigenverbrauchs und damit die Reduzierung des weltweit durch Selbstschalter verschwendeten Verlustleistung unterstützen nachhaltig die Klimaziele der EU den CO₂-Ausstoß bis 2020 um 40% zu verringern. Die Neuerung bietet somit gravierende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 514807 [0002]
- DE 10354505 [0004]

Claims

Elektrischer Selbstschalter mit Doppelunterbrechung dessen thermischer Auslöser im Normalbetrieb nicht vom Betriebsstrom durchflossen wird und dessen Magnetauslöser zwei unabhängig voneinander auf einen gemeinsamen Ankerstössel wirkenden Magnetanker beinhaltet, welche von einer gemeinsamen Induktionsspule erregt werden dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstössel (17) bei Überstrom mit seinem Auftreffen auf die unsymetrisch ausgebildete Kontaktbrücke (4) zunächst nur die erste Kontaktstelle (3) unterbricht.
Elektrischer Selbstschalter mit Doppelunterbrechung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstössel (17) bei Kurzschlussströmen mit seinem Auftreffen auf die Kontaktbrücke (4) zusätzlich die zweite Kontaktstelle (5) öffnet und dabei gleichzeitig über das Ende (21) der Kontaktbrücke das Schaltschloss entklinkt.
Elektrischer Selbstschalter nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstössel (17) nahe der ersten Kontaktstelle (3) zwischen dieser und der zweiten Kontaktstelle (5) auf die Kontaktbrücke (4) trifft und dass sich der Angriffspunkt der Kontaktdruckfeder (11) zwischen dem Berührungspunkt des Ankerstössels (17) und der zweiten Kontaktstelle (5) befindet.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (4) in der Wirkungsrichtung der Kontaktkraft auf die erste Kontaktstelle (3) in deren Nähe dreh- und verschiebbar auf dem Stift (10) ortsfest gelagert ist und dass bei der Öffnung der ersten Kontaktstelle die zweite Kontaktstelle (5) den Drehpunkt bei dieser Bewegung im Gegenzeigersinn für die Kontaktbrücke bildet.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (4) bei ihrer Bewegung im Gegenzeigersinn zunächst mit ihrem Ende (21) auf die im Schalthebel (12) gelagerte Klinke (15) trifft diese im Uhrzeigersinn dreht und dann an dem ortsfesten Stift (10) anschlägt, wodurch die Kontaktbrücke ihre Drehrichtung umkehrt und die zweite Kontaktstelle (5) geöffnet wird.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbrücke (4) mit der Klemme (1) flexibel, elektrisch leitend durch die Litze (18) verbunden ist, sodass der thermische Auslöser (9) durch diese Verbindung sowohl in der EIN- als auch in der AUS-Stellung elektrisch kurz geschlossen wird.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen mit einem Schaltschloss dessen Schalthebel (12) die Kontaktdruckfeder (11) trägt, sodass diese während der manuellen Betätigung des Schutzschalters ihren Angriffspunkt auf der ortsfest gelagerten Kontaktbrücke (4) gegenüber dem Steuernocken (20) des Schalthebels derart verändert, dass in der AUS-Stellung die erste Kontaktstelle (3) geschlossen bleibt und diese damit den Drehpunkt auf dem Gegenkontakt (2) für die Kontaktbrücke beim Schließen der zweiten Kontaktstelle (5) gegen den Lichtbogenkontakt (6) zum Einschalten des Schutzschalters bildet.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (2) der ersten Kontaktstelle (3) der Kontaktbrücke galvanisch mit der Klemme (1) verbunden ist und dass der Lichtbogenkontakt (6) als Gegenkontakt der zweiten Kontaktstelle (5) mit abbrandfestem Werkstoff beschichtet ist.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherige Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das bei Normalbetrieb kurzgeschlossene Thermobimetall des thermischen Auslösers (9) im gestörten Betrieb für seine Funktion eine Arbeitstemperatur > 80°K benötigt.
Elektrischer Selbstschalter nach den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Fußpunkt des thermischen Auslösers (9) sowohl mit der Lichtbogenlaufschiene (22) als auch mit der Klemme (1) galvanisch verbunden ist.