DE4119830A1 - Kompakt-schalter mit verschiedenen nennstroemen - Google Patents

Description

Die Verwendung von elektronischen Auslöseeinheiten in industriellen Niederstrom-Schaltern ist bisher verhindert worden aufgrund der räumlichen Einschränkungen diskreten elektrischen und elektromagnetischen Komponenten in dem Schaltergehäuse. Der in Verbindung mit der elektronischen Auslöseeinheit verwendete Stromtransformator (Wandler) hat eine doppelte Aufgabe, nämlich für ein Eingangssignal an die Auslöseeinheit zu sorgen, das den Stromfluß in dem zugeordneten, zu schützenden Stromkreis darstellt, während gleichzeitig die erforderliche Eingangsleistung für die Stromversorgung der Auslöseeinheit geliefert werden muß. Es ist ein vorbestimmtes maximales Kernvolumen in dem Stromtransformator erforderlich, um sicherzustellen, daß der Stromtransformator beim Auftreten von Überstromzuständen nicht magnetisch gesättigt wird, wenn er in Kompakt-Schaltern mit variablen Nennströmen verwendet wird, während ein vorbestimmtes minimales Kernvolumen sicherstellt, daß der Kern bei den niedrigeren stationären Betriebsstromwerten genügend magnetisiert wird.

Bei den früher entwickelten Schaltern mit elektronischer Auslösung, wie er beispielsweise in der US-PS 42 81 359 beschrieben ist, wird eine Standard- Auslöseeinheitsschaltung über einem breiten Bereich von Nennströmen verwendet, während die Größe des Stromtransformators, der zum Abtasten des Eingangstromes in die Auslöseeinheitsschaltung verwendet wird, entsprechend vergrößert wird im Verhältnis zu dem erhöhten Nennstrom.

Wenn Kompakt-Schalter mit elektronischer Auslöseeinheit, die verschiedene Zubehörvorrichtungen benutzen, wie es in der US-PS 47 54 247 beschrieben ist, in industriellen Energieverteilungsnetzen verwendet werden, begrenzen die räumlichen Einschränkungen des Schaltergehäuses die Geometrie des Stromtransformatorkerns auf eine Größe, die gerade ausreichend ist zur Lieferung der Betriebsleistung an die elektronische Auslöseeinheit, ohne bei den höheren Nennströmen gesättigt zu werden, aufgrund der kleinen Induktivität des kleineren Kerns. Ein anderes Problem, das bei der Verwendung von kleinen Stromtransformatorkernen auftritt, ist das Fehlen einer ausreichenden Kerninduktivität, um die erforderliche Kernmagnetisierung für den Transformatorbetrieb bei den kleineren Nennströmen zu liefern.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalter mit elektronischer Auslösung für industrielle Energieverteilungssysteme zu schaffen, bei dem eine einzige Stromtransformator-Kerngröße in das Schaltergehäuse paßt und ausreichende Abtastströme und Betriebsleistungen für die Auslöseeinheitsschaltung über einem breiten Bereich von Nennströmen des Schalters liefert.

Ein kompakter Schalter mit elektronischer Auslösung des Typs, der eine Signalprozessorschaltung in Verbindung mit einem den Strom abtastenden Transformator und einen Bürdewiderstand benutzt, verwendet einen Transformatorkern fester Größe und eine feste Sekundärwicklung auf dem Kern, um den räumlichen Einschränkungen des Kompakt- Schaltergehäuses zu genügen. Die Nennstromerfordernisse des Schalters werden durch Verändern der Zahl der Primärwindungen auf dem Transformatorkern erfüllt, um eine konstante Eingangsleistung in die Elektronik der Auslöseeinheit beizubehalten, ohne daß die Empfindlichkeit des Stromtransformators leidet. Die Größe des Kerns und die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung sind so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Eingangsleistung zur elektronischen Auslöseeinheit konstant bleibt, wenn die Zahl der Primärwindungen im umgekehrten Verhältnis zum Nennstrom des Schalters verändert wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung von oben auf einen kompakten Schalter mit elektronischer Auslösung unter Verwendung der Stromtransformatoranordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung von oben auf das Schaltergehäuse gemäß Fig. 1 mit einem der Stromtransformatoren in isometrischer Projektion.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung von oben auf den Schalter gemäß Fig. 1 mit der Auslöseschaltung und zugeordneten diskreten elektronischen Komponenten in isometrischer Projektion relativ zur Schalterabdeckung.

Fig. 4 ist eine vergrößerte Vorderansicht des in Fig. 2 gezeigten Stromtransformators.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Draufsicht auf den Stromtransformator gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein kompakter Schalter 10 mit elektronischer Auslösung, der im folgenden als "elektronischer Schalter" bezeichnet wird, mit einem Schaltergehäuse 11 gezeigt, das die Schalterkomponenten enthält und durch eine Schalterabdeckung 12 und einen Zubehördeckel 13 gekapselt ist. Der Schalter wird durch einen Handgriff 14 ein- und ausgeschaltet, der durch den Griffschlitz 15 hindurchragt, der in der Schalterabdeckung 12 ausgebildet ist. Ein von außen zugänglicher Nennstromeinsatz 16 paßt in den Zubehördeckel 13 zum Einstellen des Nennstroms des Schalters. Eine Verdrahtungs- Zugangsnut, die in der Seite des Gehäuses ausgebildet ist, sorgt für den Austritt von elektrischen Leiterdrähten zum elektrischen Anschließen der darin enthaltenen Zubehöreinrichtungen des Schalters.

Das Schaltergehäuse 11, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, paßt mit einem Schalterbetätigungsmechanismus 19 zusammen, wie er in der US-PS 48 94 632 beschrieben ist. Der Betätigungsmechanismus 18 steuert die Bewegung des bewegbaren Kontaktarmes 34 in Abhängigkeit von der Betätigungs-Zubehöreinheit 17 und der Auslöseschaltung, die auf der gedruckten Verdrahtungskarte 35 enthalten ist (siehe Fig. 3). Drei Stromtransformatoren 20 sind gemeinsam in entsprechende Transformatoraussparungen 29 eingesetzt, die in dem Schaltergehäuse ausgebildet sind. Der Stromtransformator gemäß der Erfindung ist ein zahlreiche Primärwindungen aufweisender Stromtransformator, der ein Leitungsanschlußstück 22 auf der einen Seite des Kerns 21 und einen Lastanschluß 23 auf seiner gegenüberliegenden Seite aufweist. Der Stromtransformator gemäß der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen, der in der US-PS 45 91 942 beschrieben ist, durch die Verwendung der zahlreiche Windungen aufweisenden Primärwicklung 24 und er unterscheidet sich von dem Stromtransformator wie er in der US-PS 33 21 725 beschreiben ist, durch die Ausbildung eines getrennten Paares von Sekundärwicklungen 27, 28, die einzeln um die oberen und unteren Kreuzstücke 21A, 21B des rechteckigen Kerns 21 angeordnet sind. Die Sekundärwicklungen 27, 28 passen jeweils durch den rechteckigen Schlitz, der zwischen den Kernseitenstücken 21C, 21D und den Kernkreuzstücken 21A, 21B gebildet ist.

Die Sekundärwicklungen 27, 28 sind elektrisch mit den Stiftverbindern 25 verbunden, die auf dem Kreuzstück 21A des Kerns stehen, und sie enthalten eine Unterdrückungsvorrichtung 26 für transiente bzw. flüchtige Spannungen, wie es in der eingangs genannten US-PS 49 07 343 beschrieben ist. Der zahlreiche Windungen aufweisende Stromtransformator 20 gemäß der Erfindung gestattet, daß der elektronische Schalter in industriellen Energieverteilungssystemen mit kleineren Nennströmen verwendet wird, bei denen elektronische Auslöseeinheiten bisher ökonomisch nicht vertretbar waren. Die engen räumlichen Beschränkungen der Transformatoraussparung 29 begrenzen das rechtwinklige Kernvolumen der bei 20A gezeigten Metallbleche auf weniger als 16,5 cm³ (1 Zoll³). Für Schalter mit IEC und UL Nennströmen zwischen 10 und 30 Ampere gestattet dieses Kernvolumen einen stationären Stromfluß durch die Primär- und Sekundärwicklungen des Stromtransformators mit vernachlässigbaren Erwärmungseffekten. Der Kern ist leicht magnetisierbar bei den kleineren Nennströmen, ohne daß eine Magnetkernsättigung unter momentanen heftigen Überstromzuständen auftritt. Bei einer konstanten Sekundärwicklungsgröße von 25 Ampere- Windungen wird der Eingangsstrom in die Auslöseeinheitsschaltung bei etwa 100 Milliampere gehalten, indem die Windungszahl der Primärwicklung 24 im umgekehrten Verhältnis zum Nennstrom des Schalters erhöht wird. Es wurde gefunden, daß durch Einstellen der Windungsszahl der Primärwicklung, um die unterschiedlichen Nennströme zu kompensieren, ein optimales Windungsverhältnis für sowohl die Primär- als auch die Sekundärwicklungen beibehalten werden kann. Das sogenannte "Windungsverhältnis" wird hier definiert als das Verhältnis des Primärstroms des Transformators zur Zahl seiner Primärwindungen.

Der elektronische Schalter 10 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die Stromtransformatoren 20 in dem Schaltergehäuse 11 so angebracht sind, daß die Stiftverbinder 25 aufrecht durch die Öffnungen 31 ragen, die in der Aussparung 35A der gedruckten Schaltkarte ausgebildet sind. Es werden drei derartige Transformatoren verwendet, und zwar einen für jede getrennte Phase des elektrischen Verteilungssystems, mit dem der elektronische Schalter verbunden ist. Ein Hilfsschalter 32 ist neben der Aussparung der gedruckten Schaltkarte gezeigt, und die Betätigungs- Zubehöreinheit 17 ist vor dem Einsetzen in die Aussparung 17A der Betätigungs-Zubehöreinheit gezeigt. Die gedruckte Schaltkarte 35 wird in die zugehörige Aussparung 35A eingesetzt. Wenn die Komponenten in die entsprechenden Aussparungen in der Abdeckung 12 eingesetzt sind, wird der Zubehördeckel 13 an der Schalterabdeckung durch Schrauben 42, Durchführungslöcher 43 und Gewindeöffnungen 44 befestigt. Der Nennstromeinsatz 16 wird als nächstes in die zugehörige Aussparung 16A in dem Zubehördeckel eingesetzt, um die Montage des elektronischen Schalters abzuschließen. Die gedruckte Schaltkarte 35 enthält eine elektronische Auslöseschaltung, wie sie beispielsweise in der US-PS 47 41 002 beschrieben ist. Die gedruckte Schaltkarte wird elektrisch mit den Stromtransformatoren 20 verbunden durch Anschlüsse zwischen den Stiften 38, die aufrecht auf der gedruckten Schaltkarte neben den Durchführungslöchern 53 stehen, durch die die Stiftverbinder des Transformators hindurchragen. Wenn die gedruckte Schaltkarte elektrisch mit den Stromtransformatoren verbunden ist, wird die Betätigungs-Zubehöreinheit 17 über einem Teil der gedruckten Schaltkarte so positioniert, daß die Stifte 41 der gedruckten Schaltkarte in den Verbindungsfassungen 39 aufgenommen sind, die in dem Gehäuse der Betätigungs- Zubehöreinrichtung ausgebildet sind, die in der US-PS 47 88 621 beschrieben ist. Der Nennstromeinsatz wird mit der gedruckten Schaltkarte 35 dadurch verbunden, daß die Verbindungsstücke 37, die auf dem Boden des Nennstromeinsatzes ausgebildet sind, über den Stiften 36 positioniert werden, die aufrecht auf der gedruckten Schaltkarte stehen. Der Nennstromeinsatz ist in der US-PS 47 28 914 beschrieben. Wie ferner in der vorgenannten US-PS 47 88 821 beschrieben ist, enthält die Betätigungs- Zubehöreinheit eine elektromagnetische Spule 47, die den Betrieb des Betätigungshebels 40 steuert, der mit dem in Fig. 2 gezeigten Betätigungsmechanismus 18 in Wechselwirkung steht, um den zu schützenden Stromkreis elektrisch abzutrennen, wenn Signale empfangen werden, die von der elektronischen Auslöseschaltung auf der gedruckten Schaltkarte empfangen werden. Die Betätigungs- Zubehöreinheit ist mit einer entfernten Spannungsquelle oder einem entfernten Schalter durch ein erstes Leiterpaar 45 verbunden, um für ein Shuntauslöse- und Unterspannungs- Freigabevermögen für die Betätigungs-Zubehöreinheit zu sorgen. Die Magnetspule 47 ist elektrisch mit der gedruckten Schaltkarte 35 über ein getrenntes Leiterpaar 46 verbunden. Die elektrische Verbindung zwischen den Stromtransformatoren und der Auslöseeinheitsschaltung auf der gedruckten Schaltkarte 35 ist in der US-PS 49 07 342 beschrieben, auf die in Verbindung mit allen zuvor genannten US-Patentschriften hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Der Stromtransformator 20 mit der viele Windungen aufweisenden Primärwicklung ist in Fig. 4 gezeigt, um die Befestigung zwischen der einen Windung 24A der Primärwicklung 24 durch eine Schweiß- oder Lötstelle 48 und dem Leitungsanschluß 22 auf der einen Seite des Kerns 21 und die Befestigung zwischen einer getrennten Windung 24B der Primärwicklung und dem Lastanschluß 23 auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Schweiß- oder Lötstelle 49 zu zeigen.

Die Sekundärwicklungs-Spulenkörper 50A, 50B dienen zum Isolieren der oberen und unteren Sekundärwicklungen 27 und 28 von dem Kern 21, während das eine Ende 51A einer flachen Fiberscheibe 51 zum elektrischen Isolieren der Primärwicklung 24 von der unteren Sekundärwicklung 28 dient. Ein Mittelteil 51B der Fiberscheibe isoliert denjenigen Teil der Primärwicklung, der durch den rechteckigen Transformatorschlitz 33 hindurchführt, und ein gegenüberliegendes Ende 50C der Fiberscheibe isoliert die Primärwicklung von der oberen, sekundären Unterwicklung 27. Ein Kunststoffblock 52, der von dem sekundären Spulenwicklungskörper 51A ausgeht und einstückig mit diesem ausgebildet ist, haltert die Stiftanschlüsse 25 des Transformators und das verbindende Unterdrückungsglied 26 für transiente Spannungen.

Die Anordnung der zahlreiche Windungen aufweisenden Primärwicklung 24 um den Kern 21 des Stromtransformators 20 ist am besten aus Fig. 5 ersichtlich, wo die Stiftverbinder 25 des Transformators von der oberen Sekundärwicklung 27 nach oben ragen, und das Unterdrückungsglied 26 für transiente Spannungen erstreckt sich zwischen den Stiftverbindern des Transformators. Die Verbindung zwischen dem Leitungsanschluß 22 und dem bewegbaren Kontaktarm 34 (siehe Fig. 2) ist durch ein Durchführungsloch 22A hergestellt, und der Lastanschluß 23 ist mit einem externen Lastbandleiter durch ein Durchführungsloch 23A verbunden.

Zusammenfassend wurde ein kompakter Schalter mit elektronischer Auslösung beschrieben, der in industriellen Energieverteilungsanlagen Anwendung findet und einen eine Primärwicklung mit zahlreichen Windungen aufweisenden Stromtransformator mit einem konstanten Kernvolumen und einer konstanten Sekundärwicklungsgröße aufweist. Der Betrieb des Stromtransformators wird durch Einstellen der Windungszahl jeder Primärwicklung im umgekehrten Verhältnis zum Nennstrom des elektronischen Schalters optimiert, um eine konstante Eingangsleistung in die elektronischen Auslöseeinheitschaltung beizubehalten, ohne den Wirkungsgrad des Transformators bei kleineren oder größeren Nennströmen zu stören.

Claims (12)

1. Kompakt-Schalter für verschiedene Nennströme mit einem ausgeformten Kunststoff-Schalterdeckel und einem ausgeformten Kunststoff-Schaltergehäuse, einem Betätigungsmechanismus in dem Gehäuse, der zum Trennen von zwei Kontaktstücken angeordnet ist beim Auftreten eines Überstromzustandes durch die Kontaktstücke für eine vorbestimmte Zeitperiode, ferner mit einer elektronischen Auslöseeinheit, die in dem Schalterdeckel angeordnet ist, zum Steuern des Betriebs des Betätigungsmechanismus, und mit einem Stromtransformator in dem Gehäuse, der mit der Auslöseeinheit verbunden ist, zur Lieferung von Betriebsleistung für die Auslöseeinheit und zur Lieferung eines Stromsignals an die Auslöseeinheit, das einen Stromfluß durch einen zu schützenden Stromkreis darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromtransformator (20) einen rechteckigen Kern (21) vorbestimmter Größe, eine Sekundärwicklung (27, 28), die eine vorbestimmte Anzahl von Windungen um den Kern (21) herum enthält, und eine mehrere bzw. viele Windungen aufweisende Primärwicklung (24) aufweist, die um den Kern (21) herum angeordnet ist, wobei ein bestimmter Nennstrom für die Auslöseeinheit durch eine Windungszahl für die Primärwicklung (24) einstellbar ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung ((24) des Stromtransformators (20) zwei Windungen aufweist, die um den rechteckigen Kern (21) herum angeordnet sind.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (24) des Stromtransformators (20) drei Windungen aufweist, die um den rechteckigen Kern (21) herum angeordnet sind.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (24) des Stromtransformators (20) vier Windungen aufweist, die um den rechteckigen Kern (21) herum angeordnet sind.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (24) des Stromtransformators (20) fünf Windungen aufweist, die um den rechteckigen Kern (21) herum angeordnet sind.

6. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Kern (21) mehrere gegenüberliegende Seitenstücke (21C, D) aufweist, die an ihren Enden durch mehrere obere und untere Kreuzstücke (21 A, B) miteinander verbunden sind.

7. Schalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundarwicklung (27, 28) eine erste und eine zweite Unterwicklung aufweist, wobei die erste Unterwicklung (25) um die oberen Kreuzstücke (21A) herum angeordnet ist und die untere Unterwicklung (28) um die unteren Kreuzstücke (21B) herum angeordnet ist.

8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (24) um eine der ersten oder zweiten Unterwicklungen (27, 28) herum angeordnet ist.

9. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Unterwicklungen (27, 28) um erste und zweite isolierte Wicklungskörper (50A, B) angeordnet sind.

10. Schalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wicklungskörper einen isolierten Block (52) aufweist, der an dem einen Ende befestigt ist und zwei nach oben stehende Stiftverbinder (25) trägt, die mit der Sekundärwicklung (27, 28) verbunden sind.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Unterdrückungsglied (26) für transiente bzw. flüchtige Spannungen mit den Stiftverbindern verbunden ist.

12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein S-förmiger Fiberisolator (51B) durch eine rechteckige Öffnung (33) hindurchführt, die in dem rechteckigen Kern (21) gebildet ist, zur Herstellung einer elektrischen Isolation gegenüber der mehrere bzw. viele Windungen aufweisenden Primärwicklung (24).