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Schutzvorrichtung für Drehstromverbraucher
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Drehstromverbraucher zu schaffen, die auf elektromagnetischer Basis auf dem Prinzip des automatischen Kräfteausgleiches beim symmetrischen Betrieb aufgebaut ist. Die Erfindung geht aus von einer Schutzvorrichtung, die drei von den Phasenströmen durchflossene Spulen aufweist, in deren Innerem Kerne verschiebbar angeordnet sind, wobei die Spulen achsparallel angeordnet sind und die auf die Spulenachsen senkrecht stehenden Verbindungslinien ein gleichseitiges Dreieck bilden, und die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die in Richtung der Spulenachsen bewegbaren Kerne auf einer um den Mittelpunkt dieses Dreiecks allseits gelenkig gelagerten Scheibe od. dgL gelenkig aufgehängt sind, die mit einem Auslöseorgan in Wirkverbindung steht.
Zweckmässig sind dabei die Kerne in den Spulen so tief angeordnet. dass im symmetrischen Betrieb die von den Phasenströmen in den drei Spulen hervorgerufenen Anziehungskräfte sich das Gleichgewicht halten, wobei sich das aus den an der allseits gelenkig gelagerten Scheibe aufgehängten Kernen be- stehende bewegliche System mit steigender Kraft jeder mechanischen Verschiebung widersetzt, wogegen bei unsymmetrischem Betrieb sich das bewegliche System in eine andere Stellung verschiebt und das Auslösen bewirkt und bei Wiederherstellung des vor dem Auslösen bestehenden symmetrischen Betriebes das be- wegliche System in die dem symmetrischen Betrieb entsprechende Gleichgewichtslage zurückkehrt.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Schutzvorrichtung wird der Vorteil erzielt, dass bei Auf- treten eines Fehlers eine rasche und sichere Abschaltung erfolgt, wobei auch die allseits gelenkig ge- lagerte Scheibe die Summe der von den einzelnen Spulen ausgeübten Kräfte einwirkt. Es ist bei der er- findungsgemässen Vorrichtung somit nicht nötig, eine starke Feder als Gegenkraft vorzusehen, um un- erwünschte Auslösungen, beispielsweise beim Anfahren zu vermeiden, da ja durch die tiefe Anordnung der Kerne in den Spulen sich die im symmetrischen Betrieb von den drei Phasenströmen in den drei
Spulen hervorgerufenen Anziehungskräfte das Gleichgewicht halten und sich die allseits gelenkig ge- lagerte Scheibe od. dgl. zusammen mit den aufgehängten Kernen mit steigender Kraft jeder mecha- nischen Verschiebung widersetzt.
Um auch eine symmetrische Überlastung durch die erfindungsgemässe Schutzvorrichtung erfassen zu können. ist erfindungsgemäss ein einziges kompensiertes, gegenüber der Umgebungstemperatur un- empfindliches Bimetall ohne Stromdurchfluss und ohne Heizspulen vorgesehen, dessen Durchbiegung durch den Temperaturanstieg in einem thermisch isolierten Raum zwischen den drei Spulen bewirkt wird, wogegen bei Kurzschlüssen infolge Isolationsschäden das Auslösen dann erfolgt, wenn die Summe der von den drei Spulen abgegebenen Wärmemengen die bei etwa 20% iger symmetrischer Überlastung abgegebene Wärmemenge erreicht oder wenn der Unsymmetriegrad 1,5 übersteigt.
Durch die erfindungsgemässe Schutzvorrichtung können somit alle möglichen elektrischen Störungsfälle erfasst werden, die ein Abschalten des Drehstromverbrauchers notwendig machen können. Die erfindungsgemässe Schutzvorrichtung bewirkt sowohl das sichere augenblickliche Auslösen bei Ausfall einer
Phase entweder stets oder bei entsprechender Einstellung nur beim Anlauf, es wird durch die erfindungsgemässe Vorrichtung jedoch auch ein Auslösen bei Kurzschlüssen eingeleitet, u. zw. bereits bei einem
Unsymmetriegrad e = 1, 5, wogegen bekannte Vorrichtungen erst etwa bei einem Unsymmetriegrad von 8 bis 16 auslösen. Unter dem Unsymmetriegrad E wird hiebei der Quotient, der bei Division der Summe aus dem Belastungsstrom und dem Deffektstrom durch den Belastungsstrom erhalten wird, verstanden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung schaltet somit bereits sicher ab, bevor grössere Schäden im Verbraucher entstanden sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Schutzvorrichtung ist darin gelegen, dass die bei den üblichen Bimetallen auftretenden Energieverluste und die Spannungsverluste beim Anlassen nicht auftreten. Es besteht sogar die Möglichkeit, auf zusätzliche Sicherungen zu verzichten, da durch die Anordnung des beweglichen Systems die Auslösegeschwindigkeit im Falle von Kurzschlüssen steigt, ohne dass sie durch die Sättigung begrenzt wird. Da ausserdem bei der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem einzigen Bimetall das Auslangen gefunden werden kann, werden die Kosten für diese Vorrichtung wesentlich herabgesetzt.
Für die Einstellung der Vorrichtung ist es lediglich notwendig, eine einzige Einstellungsmöglichkeit mit einem einzigen Kontakt und einem einzigen Federelement vorzusehen, wodurch die Vorrichtung einheitlich in ihrem Aufbau und dadurch störungsunanfällig wird. Das Einstellen der Vorrichtung im Werk kann bei einer grossen Anzahl von Geräten mit gleichem Nennstrom gleichzeitig durchgeführt werden, u. zw. derart, dass beispielsweise zehn sehr unempfindlich gemachte Geräte in Reihe geschaltet werden, wobei der 1, 2fache Nennstrom alle Spulen durchfliesst. Nach 60 min werden vorhandene Stellschrauben nacheinander im Gegenuhrzeigersinn bis zum Auslösen gedreht und auf einem Ansatz der Stellschraube gegenüber dem im Rahmen eingeprägten Punkt 1, 0 In das Zeichen S markiert.
Ein weiteres Einstellen ist bei der Herstellung nicht notwendig.
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In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch erläutert. Die Fig. la, Ib und lc zeigen eine erfindungsgemässe Schutzvorrichtung, wobei in Fig. la die Schutz vorrichtung im Schnitt, in Fig. lb das Schaltschema der Schutzvorrichtung und in Fig. Ic die Vorderansicht des gerändelten Einstellknopfes dargestellt ist. Fig. 2 zeigt das Arbeitsprinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung und die Fig. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung. Die Fig. 5a, 5b, 5c und 5d zeigen schematisch den Arbeitszyklus der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Auf einer Grundplatte --1-- sind Stromspulen --2, 3 und 4-- befestigt und in einem Spulenge- Muse --5-- eingeschlossen. Das Spulengehäuse hat eine Öffnung für den Durchtritt eines aktiven Bimetalls --6--, welches über ein Verbindungsstück-7-ein Kompensations-Bimetall-8-betätigt. Im Inneren der Spulen sind Eisenkerne --9-- vorgesehen, welche durch Zugbolzen --10-- gelenkig in einem Trichter --11-- aufgehängt sind. Der Trichter --11--, der in Fig. la in Vorderansicht gezeigt ist, ist um eine Achse --12-- verdrehbar angeordnet, die in einem Ring --13-- gelagert ist, welcher sich um eine an einem Rahmen --16-- gelagerte Achse --14-- verdrehen kann. Die Achse --14-- ist hiebei senkrecht zur Achse --12-- angeordnet.
Das aus dem Trichter der Achse --12--, dem Ring --13-- und der Achse --14-- gebildete System ist'somit kardanisch aufgehängt und der Trichter - kann sich somit allseitig in jede beliebige Richtung neigen. Zwei Distanzhülsen --15-- und der Haken des Zugbolzens-10-gewährleisten die symmetrische Lage des Trichters --11--. 1m Rahmen - ist ein Auslösehebel --17-- zusammen mit einem Spannhebel-19-- in einem Schneidenlager --0-- gelagert, wobei sich der Auslösehebel um dieses Schneidenlager verdrehen kann. Der Aus- lösehebel --17-- weist einen in den Trichter --11-- ragenden Stift --18-- auf, der bei einer Verschwenkung des Trichters --11-- eine Verdrehung des Auslösehebels --17-- um seine Lagerung und da-
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Die Auslösung erfolgt dadurch, dass der Auslösehebel --17-- an einem Kontaktarm-23"-an- schlägt, wodurch dieser um eine Achse --24-- entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. Der Kon- taktarm --23-- weist ein Kontaktstück auf, das mit einem an einem Träger --21-- ortsfest angeord- neten Gegenkontaktstück zusammenwirkt. Durch Verschwenkung des Kontaktarmes --23-- erfolgt somit ein Öffnen des Kontaktes.
Im Rahmen --16-- ist weiters eine Stellschraube --22-- angeordnet, durch welche die Stellung des
Spannhebels --19-- und damit die durch die Feder --20-- ausgeübte Richtkraft eingestellt werden kann.
Ferner ist eine Schaltspule-25-vorgesehen, welche bei Betätigung eines Einschaltknopfes-26-den Motor über die Schaltkontakte --27-- einschaltet und mittels des Selbsthaltekontaktes --28-- in angezogenem Zustand gehalten wird. An einen Ausschalthebel kann ein nicht dargestelltes Anzeigeelement angeschlossen werden.
In Fig. 1c ist eine Vorderansicht des gerändelten Kopfes der Stellschraube --22-- dargestellt, dessen Ansatz bei der Werkeinstellung mit dem Zeichen --S-- versehen wird und der mit den Beschriftungen am Rahmen zusammenwirkt.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ist folgende :
In Ruhestellung drückt die Feder über den Stift --18-- auf den Trichter --11-- und hält diesen so- mit in Mittelstellung. Ferner übt die Feder für die thermische Auslösung benötigte, einstellbare Richtkraft aus und bestimmt die Stellung der Stellschraube und den Kontaktdruck.
Das Arbeitsprinzip der Vorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt, die ein vom Strom durchflossenes Solenoid mit einem gewichtslos angenommenen Eisenkern und daneben die elektromagnetische Kraft, mit welcher der Kern gegen die Mitte des Solenoids zu angezogen wird, in Abhängigkeit von der Lage des Kernschwerpunktes darstellt. Befindet sich der Kern in einer Lage in der der Mittelpunkt des Kernes mit dem Mittelpunkt der Spule übereinstimmt, so ist, wie aus dem links neben der Spule dargestellten Diagramm ersichtlich ist, die elektromagnetische Kraft gleich Null. Wird der Kern durch eine von aussen wirkende Kraft nach oben verschoben, steigt die elektromagnetische Kraft anfangs linear, dann langsamer an, erreicht ein Maximum, wenn der Kernmittelpunkt sich ungefähr im Bereich des oberen Spulenendes befindet, fällt dann und nähert sich asymptotisch dem Nullwert.
Sind also die drei Kerne der Spulen am Trichter --11-- im Radius --a-- derart gelenkig aufgehängt, dass sich ihre Schwerpunkte auf der Höhe-C-befinden, sind die Kräfte im Arbeitspunkt-P-in stabilem Gleichge- wicht, weil F. a = 2F. i-ist (s. Fig. lb). Bei jeder von einer äusseren Kraft bewirkten Neigung der Scheibe wächst die elektromagnetische Kraft in den Spulen mit den hochsteigenden Kernen an und diejenige in den Spulen mit den absinkenden Kernen fällt, wodurch eine Ausgleichskraft entsteht, welche sich der
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Belastungsstrom und Id der Fehlerstrom ist, neigt sich der Trichter in eine andere Gleichgewichtsstellung um einen Winkel 0 ;
welcher durch
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bestimmt wird, wobei L der Abstand des Kemschwerpunktes vom Solenoidmittelpunkt in Gleichgewichtstellung (Fig. 2) und a der Kernaufhängungsradius ist.
Bei Unterbrechung einer Phase Is = 0 und bei Id = Belastungsstrom ist die Neigung
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Die konstruktive Bemessung wird derart gewählt, dass die Auslösung bei Ikurz IV 10 stattfindet. mitf= 50 Hz.
Bei symmetrischer Überlast und Kurzschlüssen in der Leitung wird die verzögerte Auslösung durch das Bimetall bewirkt. Durch eine entsprechende Bemessung des Sprungelementes im Verhältnis zum Bimetall-System bleibt der Auslösehebel --17-- bis zum Auslöseaugenblick unbeweglich. Entsprechend der Einstellung bestimmt der Abstand zwischen der Federachse und dem Schwingungspunkt 0 (Fig. 1) die Richtkraft im Arbeitspunkt L (Fig.4); die Schar derGeradenAentsprichtdenverschiedenenEinstellungen.
Bei Bewegung des Auslösehebels fällt die Richtkraft bis zum kritischen Punkt Per (in welchem sie auf- gehoben ist) über Pcr hinaus wird sie eine aktive Kraft. Entsprechend dem Laststrom 1, bestimmt die Temperatur des Bimetalls/ die aktive Kraft im Arbeitspunkt; die Schar der Geraden B entspricht den verschiedenen Temperaturen.. Bei Bewegung des Auslösehebels fällt die Kraft des Bimetalls bis zu der Stellung, in die sich die Bimetallspitze in der Luft (ohne Richtkraft) bewegt hätte und wird dort aufgehoben. Im Betrieb, bei Temperaturanstieg des Bimetalls, bleibt der Auslösehebel unbeweglich und sowohl das aktive als auch das kompensierte Bimetall krümmen sich durch ihre mechanische Elastizität.
Wenn die Kraft des Bimetalls die im Punkt D eingestellte Richtkraft erreicht, beginnt die Auslösebewegung des Auslösehebels und setzt sich mit der durch die steigende Differenz A der aktiven und der Richtkraft entstandenen Beschleunigung fort. Diese Kräfte fallen beide, jedoch nicht im gleichen Verhältnis, auf Grund einer entsprechenden konstruktiven Bemessung der Richtungskonstanten der Kennlinien A und B.
Im symmetrischen Betrieb wird beim Anlassen durch Betätigung des Einschaltknopfes --26-- der Spaltspule-25-- Strom zugeführt und der Motor wird über den Schalter --27-- mit Strom versorgt. Der Kontakt--28-- hält den Stromkreis aufrecht und der automatische Kräfteausgleich des magnetischen Systems verhindert Fehlauslösungen.
Im unsymmetrischen Betrieb neigt sich der allseits gelenkig gelagerte Trichter --11-- in die durch
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die Art der Unsymmetrie bestimmte Richtung und hebt den Stift --18-- bis zu der kritischen Stelle des Sprungelementes, worauf die Auslösung augenblicklich erfolgt.
Bei Dreiphasenkurzschlüssen mit I 2 : : 10 In ist die Arbeitsweise dieselbe.
Bei zo übersteigenden Dauerüberlastungen bewirkt der Temperaturansteig im thermisch isolierten Raum zwischen den Spulen das Durchbiegen des aktiven Bimetalls --6--, das wie im Zusammenhang mit Fig. 4 ausgeführt wurde, verzögert auslöst und das Bimetallsystem gelangt in die gestrichelt eingezeichnete Stellung.
Bei Isolationsschäden, die im Betrieb des Verbrauchers Kurzschlüsse bewirken, tritt die Auslösung dann ein, wenn die Summe der von den drei Spulen entwickelten Wärmemengen die bei symmetrischer Überlastung von 200/0 entwickelte Wärmemenge erreicht. Im ungünstigsten Falle eines solchen Kurzschlusses zwischen einer Phase und Erde bei einem Laststrom von Is = 0, 9 1., kann der Strom 1, 42 In nicht überschreiten, weil im entgegengesetzten Falle der Grad der Unsymmetrie e = 1, 5 überschritten wird und die Auslösung augenblicklich eintritt.
Das Andrücken der Stellschraube dient sowohl zum Handausschalten als auch zum Wiederspannen nach einer Selbstauslösung. Selbstverständlich wird der Druck mittelbar über einen Knopf am Deckel des als Schutzschalter oder als Zusatzgerät ausgebildeten Gerätes ausgeübt, so dass ein Verdrehen der Stellschraube ausgeschlossen ist. Beim Druck auf die Schraube verschiebt sich der Kontakt --21-- nach rechts, wodurch die Unterbrechung des Stromkreises bis zur Freilassung des Knopfes (Bedingung der Freiauslösung) gewährleistet ist. Der Spannhebel --19-- schwingt im Gegenuhrzeigersinn, die Feder wird gespannt und speichert Kraft, bis ihre Achse den kritischen Punkt des Sprungelementes überschreitet und der Stift --18-- bringt mit grosser, von der Einstellung unabhängiger Kraft, den Trichter in Mittelstellung.
Fig. 5a zeigt das System mit geschlossenem Kontakt nach einer bestimmten Laufdauer bei Überlast, wobei das kompensierte Bimetall durchgebogen ist. Fig. 5b zeigt das System nach thermischer Auslösung. Fig. 5c zeigt das System beim Wiederspannen, im Augenblick vor dem Sprung, mit der maximal gespannten Feder. Fig. 5d zeigt das System bei Zentrierung des Trichters bzw. bei handbetätigtem Ausschalten.
Die Verringerung der Empfindlichkeit mittels der Stellschraube --22-- gestattet einerseits das Ab- stellen des Bimetalls, wenn die Betriebsbedingungen dessen Wirken nicht gestatten, und anderseits das sofortige Auslösen beim Anlassen (nicht auch während des Laufes) im Falle eines Phasenausfalls.
PATENTANSPRÜCHE : l. Schutzvorrichtung für Drehstromverbraucher gegen eine Unsymmetrie der Ströme zwischen den einzelnen Phasen, wie Phasenausfall, Kurzschlüsse zwischen zwei Phasen und Kurzschlüsse zwischen einer Phase und dem geerdeten Nulleiter, gegen Dreiphasenkurzschlüsse, gegen symmetrische Überlastung und gegen durch Isolationsschäden hervorgerufene Kurzschlüsse zwischen den Phasen oder zwischen einer Phase und Erde, mit drei von den Phasenströmen durchflossenen Spulen, in deren Innerem Kerne verschiebbar angeordnet sind, wobei die Spulen achsparallel angeordnet sind und die auf die Spulenachsen senkrecht stehenden Verbindungslinien ein gleichseitiges Dreieck bilden, dadurch gekennzeichnet,
dass die in Richtung der Spulenachsen bewegbaren Kerne auf einer um den Mittelpunkt dieses Dreiecks allseits gelenkig gelagerten Scheibe od. dgl. gelenkig aufgehängt sind, die mit einem Auslöseorgan in Wirkverbindung steht.