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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Aktor ist einsetzbar in elektrischen Schaltgeräten zum Führen und Trennen von Gleichstrom, beispielsweise in Leitungsschutzschaltern, Motorschutzschaltern, Leistungsschaltern oder Trennerv.
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Aus der Druckschrift
DE 493 280 A ist ein als Rückstromschnellschalter verwendbarer polarisierter Schalter bekannt, der eine Strom- und eine Spannungsspule aufweist. Die Stromspule liegt auf einem Magnetkern und in Reihe mit den Schaltkontakten. Die Spannungsspule liegt unter Parallelschaltung eines induktiven Widerstandes unmittelbar an der Netzspannung und dient der Polarisierung eines als Wippe ausgebildeten Magnetankers. Bei einem Rückstromkurzschluss erfolgt eine Schnellauslösung, und zwar durch Wirkung des induktiven Widerstandes auch bei momentanem Wegbleiben der Netzspannung. Der bipolare Schalter kann auch zum Abschalten eines Vorwärtsstromkurzschlusses mit vergrößerter Abschaltzeit verwendet werden, wenn hierzu die Normalstellung des Magnetankers außerhalb der durch die Spannungsspule erzeugten Mittellage eingestellt wird. Von Nachteil ist der hohe Aufwand an elektrischen Bauelementen, deren raumzehrende Anordnung und der hohe Energieverbrauch.
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Aus der Druckschrift
EP 1 936 651 A2 ist eine Auslöseeinheit für einen Gleichstrom-Leistungsschalter bekannt, welche ein erstes und ein zweites Magnetjoch aufweist. Die Magnetjoche umgeben eine den Gleichstrom führende Stromschienenanordnung. Das erste Magnetjoch ist mit einem Magnetanker aus Weicheisen gekoppelt, der bei Überschreiten eines bestimmten Gleichstromwertes gegen die Kraft einer Rückholfeder in eine Auslöseposition zum Abschalten des Leistungsschalters strebt. Das zweite Magnetjoch ist mit einem magnetisch polarisierten Drehelement gekoppelt, das mit einem Sperrelement verbunden ist. Durch in der Stromschienenanordnung fließenden Vorwärtsstrom wird das Drehelement entgegen der Kraft eines Federelementes in eine Sperrposition gebracht, bei der das Sperrelement eine Verlagerung des Magnetankers und damit einen Auslösevorgang durch diesen Magnetanker verhindert. Bei Auftreten eines Rückwärtsstroms wird das Drehelement in eine Freigabeposition gebracht, bei der das Sperrelement den Magnetanker zum Auslösen freigibt. Nachteilig ist der komplizierte und bauelementeintensive Aufbau.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine unaufwändig zu realisierende Vorrichtung zum Erkennen eines Rückwärtsstroms zu schaffen.
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Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in unaufwändiger Weise lediglich aus Stromspule, Magnetjoch, polarisiertem Magnetanker und ein letzteren beaufschlagendes Federelement. Diese wenigen Vorrichtungselemente gleichen in der Form und der Anordnung einem üblichen Magnetauslöser eines Schaltgerätes, sind aber hier zum Erkennen eines Rückwärtsgleichstroms ausgebildet. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung konstruktiv einfach und preiswert. Der Magnetanker ist mit einem Aktor verbunden, durch dessen vielfältige Wahl sich zahlreiche Einsatzgebiete für die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben. Bei hohen Vorwärtskurzschlussströmen wird das Magnetfeld der Stromspule größer als das Eigenmagnetfeld des Magnetankers, was ebenfalls durch die Vorrichtung erkannt wird, und zwar vorteilhafterweise ohne dass hierzu die erfindungsgemäße Vorrichtung zu verändern oder umzustellen ist.
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Die Ausgestaltung der Stromspule als Tauchspule, des Magnetjoches in Topfform und des Magnetankers als Tauchanker ist eine vorteilhafte, aus üblichen Tauchankersystemen gebildete Form der Erfindung, die beispielweise in bestehende Schaltgeräte einem Magnetauslöser in Form von Tauchankersystemen in einfacher Weise umzusetzen ist. Ein Tauchankersystem wird beispielhaft in der Druckschrift
DE 43 41 214 A1 gezeigt.
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Die Ausgestaltung der Stromspule in Verbindung mit dem Magnetjoch in U-Form und des Magnetankers als Klappanker ist eine vorteilhafte, aus üblichen Klappankersystemen gebildete Form der Erfindung, die beispielweise in bestehende Schaltgeräte mit einem Magnetauslöser in Form eines Klappankersystems in einfacher Weise umzusetzen ist. Druckschrift
DE 200 10 424 U1 zeigt beispielhaft ein Klappankersystem. In bestimmten Fällen, insbesondere bei hohen zu erfassenden Gleichströmen, ist es ausreichend, dass die Stromspule durch das mit dem Magnetjoch verkettete Teilstück des von dem zu erfassenden Gleichstrom durchflossenen Stromleiters gebildet wird. Hierbei hat sich die Stromspule auf eine etwa halbe Windung reduziert.
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Der mit dem Magnetanker direkt oder mittelbar wirkverbundene Aktor ist vorteilhafterweise ein Auslösemechanismus, z. B. mit einer Auslöseklinke in Verbindung mit einem Schaltschloss eines Schaltgerätes, ein elektrisches Schaltelement, z. B. ein Hilfsschalter zur Erzeugung eines Melde- oder Alarmsignals, oder ein magnetisches Betätigungselement, z. B. ein magnetischer Kraftspeicher zum Auslösen eines Schaltschlosses.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann integriert in einen Trenner oder Leistungsschalter mit Vorteil zum Schutz der unerwünschten Stromrichtung im einem Photovoltaikstrang angewandt werden. Beim Überschreiten einer Schwelle des Rückwärtsstromes, die unterhalb des Bemessungsbetriebsstroms des Trenners oder Leistungsschalters liegen kann, wird dieser Zustand signalisiert und bzw. oder durch Auslösen des Trenners oder Leistungsschalters unterbrochen. Rückströme in Solarzellen sind nämlich unerwünscht, vermindern die Effektivität der Solaranlage, und können sogar zur Zerstörung führen. Zulässige Rückströme liegen teilweise nur wenig über dem Nennstrom der Zellen. Damit hebt sich die erfindungsgemäße Lösung deutlich von den üblichen Schutzmaßnahmen für Photovoltaikstränge ab, die z. B. darin bestehen, dass spezielle Strangschutzschalter, die hinsichtlich ihres Leiterdurchmessers überdimensionierte Strangkabel erfordern, oder in Rückstromrichtung gepolte Stringdioden, die hohe Kosten und zusätzliche Verlustleistung verursachen, zur Anwendung kommen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen
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1: eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr;
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2: eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr.
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Die Vorrichtung 1 zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr nach 1 ist in Verbindung mit einem Schaltgerät dargestellt, von dem der Kontaktapparat 10 und ein diesen betätigendes Schaltschloss 11 angedeutet sind. Der zu erfassende Gleichstrom fließt durch den Stromleiter 12. Das Schaltschloss 11 enthält einen das Schaltgerät zum Öffnen des Kontaktapparates 10 zwingenden Auslösemechanismus 13. Die Vorrichtung 1 ist mit einer Stromspule 14 ausgestattet, die über den Stromleiter 12 mit dem Kontaktapparat 10 elektrisch in Reihe verbunden ist. Die Stromspule 14 ist als Tauchspule ausgebildet und zur Konzentrierung des Magnetfeldes von einem topfförmigen Magnetjoch 19 (in 1 gestrichelt angedeutet) umgeben. Im Inneren der Stromspule 14 ist ein als Tauchanker ausgebildeter Magnetanker 15 linear verschieblich gelagert. Der Magnetanker 15 ist magnetisch polarisiert und daher aus einem Permanentmagneten 16 und einem am weitesten ins Innere der Stromspule 14 reichenden Weicheisenteil 17 zusammengesetzt. In 1 ist die Ausrichtung des Permanentmagnetfeldes mit N für magnetisch Nord und mit S für magnetisch Süd gekennzeichnet. Der Magnetanker 15 ist mit einem in der Zeichnung angedeuteten Federelement 18 verbunden. Die Federkraft des als Zugfeder ausgebildeten Federelementes 18 beaufschlagt den Magnetanker 15 in der Weise, dass er sich aus dem Inneren der Stromspule 14 heraus bewegen will. Der Magnetanker 15 ist wirkverbunden mit einem Aktor, den in diesem Falle der Auslösemechanismus 13 darstellt. Die aus der Stromspule 14, dem Magnetanker 15 und dem Federelement 18 bestehende Kombination ist in Form und Anordnung üblichen Tauchanker-Magnetauslösern von Schaltgeräten nachgebildet.
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Bei normaler Stromrichtung, d. h. bei einem Vorwärtsstrom im Stromleiter 12 in Richtung von + nach – gemäß 1, wird in der Stromspule 14 ein Magnetfeld ausgebildet, dessen Nord-Süd-Richtung in 1 mit N und S angedeutet ist. Durch die bei einem Vorwärtsstrom richtungsgleichen Magnetfelder von Stromspule 14 und Magnetanker 15 wird dieser von Inneren der Stromspule 14 abgestoßen. In diesem Falle bewirkt der Auslösemechanismus 13 keine Aktion auf das Schaltschloss 11.
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Bei Richtungsumkehr des durch den Stromleiter 12 fließenden Gleichstroms, d. h. bei einem Rückwärtsstrom in Richtung von – nach + gemäß 1, wird in der Stromspule 14 ein Magnetfeld ausgebildet, dessen Nord-Süd-Richtung in 1 mit (N) und (S) angedeutet ist. Durch die bei einem Rückwärtsstrom entgegengesetzt ausgerichteten Magnetfelder von Stromspule 14 und Magnetanker 15 wird dieser entgegen der Wirkungsrichtung des Federelementes 18 magnetisch beaufschlagt und ins Innere der Stromspule 14 gezogen. In diesem Falle bewirkt der Auslösemechanismus 13 eine auslösende Aktion auf das Schaltschloss 11, in dessen Folge der Kontaktapparat 10 geöffnet und damit der Rückwärtsstrom unterbrochen wird.
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Die unaufwändige Vorrichtung 1 zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr nach 1 ist in bestehende Schaltgeräte mit Tauchankersystem einfach umzusetzen. Bei hohen Kurzschlussströmen in Vorwärtsrichtung wird das durch die Stromspule 14 erzeugte Magnetfeld größer als das Eigenmagnetfeld des polarisierten Magnetankers 15, wodurch der Magnetanker 15 in das Innere der Stromspule gezogen und in der Folge über den Auslösemechanismus 13 das öffnen des Kontaktapparates 10 bewirkt wird.
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Die Vorrichtung 2 zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr nach 2 ist ebenfalls in Verbindung mit einem Schaltgerät dargestellt, von dem der Kontaktapparat 20 und ein diesen betätigendes Schaltschloss 21 angedeutet sind. Der zu erfassende Gleichstrom fließt durch den Stromleiter 22. Das Schaltschloss 21 enthält einen das Schaltgerät zum öffnen des Kontaktapparates 20 zwingenden Auslösemechanismus 23. Die Vorrichtung 2 ist mit einer Stromspule 24 ausgestattet, die über den Stromleiter 22 mit dem Kontaktapparat 20 elektrisch in Reihe verbunden ist. Die Stromspule 44 ist mit einem Magnetjoch 29 elektromagnetisch verkettet. Die beiden Polenden 291 und 292 des U-förmigen Magnetjoches 29 sind ihrerseits mit einem als Klappanker ausgebildeten Magnetanker 25 magnetisch verkettet. Der Magnetanker 25 ist mit einer Schwenkachse parallel zu Zeichenebene schwenkbar gelagert. Der Magnetanker 25 ist magnetisch polarisiert und daher aus einem Permanentmagneten 26 und einem den Polenden 291, 292 gegenüberstehenden Weicheisenteil 27 zusammengesetzt. In 2 ist die Ausrichtung des Permanentmagnetfeldes mit N für magnetisch Nord und mit S für magnetisch Süd gekennzeichnet. Der Magnetanker 25 ist mit einem in der Zeichnung angedeuteten Federelement 28 verbunden. Die Federkraft des als Zugfeder ausgebildeten Federelementes 28 beaufschlagt den Magnetanker 25 in der Weise, dass er sich vom Magnetjoch 29 weg bewegen will. Der Magnetanker 25 ist wirkverbunden mit einem Aktor, den in diesem Falle der Auslösemechanismus 23 darstellt. Die aus der Stromspule 24, dem Magnetjoch 29, dem Magnetanker 25 und dem Federelement 28 bestehende Kombination ist in Form und Anordnung üblichen Klappanker-Magnetauslösern von Schaltgeräten nachgebildet.
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Bei normaler Stromrichtung, d. h. bei einem Vorwärtsstrom im Stromleiter 22 in Richtung von + nach – gemäß 2, wird in dem Magnetjoch 29 ein Magnetfeld ausgebildet, dessen Nord-Süd-Richtung in 2 mit N und S angedeutet ist. Durch die bei einem Vorwärtsstrom richtungsgleichen Magnetfelder von Magnetjoch 29 und Magnetanker 25 wird dieser von den Polenden 291, 292 abgestoßen. In diesem Falle bewirkt der Auslösemechanismus 23 keine Aktion auf das Schaltschloss 21.
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Bei Richtungsumkehr des durch den Stromleiter 22 fließenden Gleichstroms, d. h. bei einem Rückwärtsstrom in Richtung von – nach + gemäß 2, wird in dem Magnetjoch 29 ein Magnetfeld ausgebildet, dessen Nord-Süd-Richtung in 2 mit (N) und (S) angedeutet ist. Durch die bei einem Rückwärtsstrom entgegengesetzt ausgerichteten Magnetfelder von Magnetjoch 29 und Magnetanker 25 wird dieser entgegen der Wirkungsrichtung des Federelementes 28 magnetisch beaufschlagt und von den Polenden 291, 292 angezogen. In diesem Falle bewirkt der Auslösemechanismus 23 eine auslösende Aktion auf das Schaltschloss 21, in dessen Folge der Kontaktapparat 20 geöffnet und damit der Rückwärtsstrom unterbrochen wird.
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Die unaufwändige Vorrichtung 2 zum Erkennen der Stromrichtungsumkehr nach 2 ist in bestehende Schaltgeräte mit Klappankersystem einfach umzusetzen. Bei hohen Kurzschlussströmen in Vorwärtsrichtung wird das durch die Stromspule 24 erzeugte Magnetfeld größer als das Eigenmagnetfeld des polarisierten Magnetankers 25, wodurch der Magnetanker 25 zum Magnetjoch 29 geschwenkt und in der Folge über den Auslösemechanismus 23 das Öffnen des Kontaktapparates 20 bewirkt wird.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So lässt sich die Erfindung beispielsweise in der Weise abwandeln, dass als mit dem Magnetanker 15 bzw. 25 wirkverbundener Aktor ein elektrischen Schaltelementes, beispielsweise ein Hilfsschalter zum Signalisieren einer Stromrichtungsumkehr, oder ein magnetisches Betätigungselement, beispielsweise ein magnetischer Kraftspeicher zum Betätigen eines Auslösemechanismus 13 bzw. 23, vorgesehen ist. Bei der Erfassung hoher Gleichströme kann es bei einem Klappankersystem 2 ausreichend sein, die Stromspule auf eine etwa halbe Windung in Form des Teilstückes des vom zu erfassenden Gleichstrom durchflossenen Stromleiters 22 zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 2
- Vorrichtung
- 10; 20
- Kontaktapparat
- 11; 21
- Schaltschloss
- 12; 22
- Stromleiter
- 13; 23
- Auslösemechanismus
- 14; 24
- Stromspule
- 15; 25
- Magnetanker
- 16; 26
- Permanentmagnet
- 17; 27
- Weicheisenteil
- 18; 28
- Federelement
- 19; 29
- Magnetjoch
- 291, 292
- Polenden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 493280 A [0002]
- EP 1936651 A2 [0003]
- DE 4341214 A1 [0007]
- DE 20010424 U1 [0008]