WO2007088079A1 - Magnetische auslösevorrichtung für ein elektrisches schaltgerät - Google Patents

Magnetische auslösevorrichtung für ein elektrisches schaltgerät Download PDF

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/44—Automatic release mechanisms with or without manual release having means for introducing a predetermined time delay
    • H01H71/446—Automatic release mechanisms with or without manual release having means for introducing a predetermined time delay making use of an inertia mass

Definitions

  • the invention relates to a magnetic tripping device for an electrical switching device.
  • the invention relates to a magnetic tripping device for an electrical switching device, with a magnetic tripping armature, which is operable to actuate a switching mechanism in the event of a short circuit under the action of a magnetic field generated by a current magnetic force magnetic force from an open position to a release position, and with a spring element, wel ⁇ It holds the tripping armature in its opening position against the magnetic force, provided that there is no short circuit.
  • Such tripping devices are known from the prior art. Triggering in the event of a short circuit is carried out depending on the design either without delay or - if a selectivity is desired - short-term. Se ⁇ tively working systems are always required when parent and child switchgear are to be used for a si ⁇ Cheren system protection. However, disadvantages of selective triggering devices are that complex constructive solutions are necessary for this, which make the manufacture of the switching devices more expensive.
  • An object of the present invention is therefore to provide a structurally simple solution for achieving selectivity in switching devices.
  • a key idea of the invention is, in the event of a short circuit, to achieve a conditionally delayed triggering with structurally very simple means.
  • the spring element which holds the trip arm counter to the magnetic force acting in its open position, coupled with an inertial mass, so that there is a combined spring-mass system.
  • the egg characteristics of this spring-mass system cause a defi ⁇ ned selectivity in safe trip characteristic. Compared to the solutions known from the prior art better selectivity values can be realized.
  • the tripping armature is in a short circuit case at a short-circuit current below a certain current limit after one
  • the trigger is selective at comparatively low short-circuit currents up to this current limit. The higher the current, the lower the time delay.
  • the tripping armature can be transferred to its tripping position in the event of a short-circuit in the event of a short-circuit current above a certain current limit value, without first requiring a movement of the inertial mass.
  • triggering occurs when the current limit is exceeded, i. at high short-circuit currents, immediately and with almost no time delay.
  • the inertial mass interacts with a delay device, which counteracts a movement of the inertial mass.
  • the inertial mass is light so verwirk ⁇ in other words, that the movement of the inertial mass, even at very ho ⁇ her magnetic force brings a sufficient delay.
  • deceleration devices have proven to be particularly useful which work to provide such a counterforce with spring elements, damping elements and / or friction elements.
  • the inert mass consists of a non-magnetic Ma ⁇ material.
  • the inertial mass can then be immediately adjacent to the current conductor is arranged ⁇ .
  • FIG. 1 shows a tripping device in a side view
  • FIG. 2 shows a tripping device in a front view (without tripping anchor).
  • the magnetic tripping device 1 for an electrical switching device, in particular a closed molded case circuit breaker (MCCB), comprises a tripping armature 2 made of a magnetic material.
  • the tripping armature 2 is used to actuate a switching mechanism in the event of a short circuit. For this purpose, it is under the action of a magnet generated by a current-dependent magnetic field. force 3 can be transferred from an open position to a release position.
  • the trip arm 2 is shown in its open position.
  • the tripping armature 2 designed in the manner of a hinged armature moves about a pivot point in the triggering direction 4 toward a tripping shaft 5 and actuates it. This is a switch (not tobil ⁇ det) triggered.
  • the current path section is realized as a conductor rail 6 made of copper.
  • the magnetic field and the resulting magnetic force 3 are present both under normal conditions (no short circuit) and in the event of a short circuit. Only the strength of the magnetic field and thus the strength of the magnetic force of 3 changes in depen ⁇ dependence on the current intensity I. Due to the magnetic force 3 acting on the tripping armature 2 directed in the release direction force component 4.
  • the tripping device 1 further comprises a spring element 7, here in the form of a helical spring.
  • the spring element 7 may also have any other shape, as far as the function of the spring element 7 described below can be realized thereby.
  • the spring ⁇ force 8 of the spring element 7 holds the trigger armature 2 against the magnetic force 3 in its open position, unless there is a short circuit, the magnetic force 3 thus does not exceed the normal level.
  • the spring element 7 is now designed such that the time ⁇ duration of the transfer of the trip armature 2 in its tripping ⁇ position in the short circuit case depends on the height of the Kurz practitionerstro ⁇ mes.
  • the spring element 7 has a defined spring constant.
  • the spring element 7 is in conjunction with a movable inertial mass 9 of a non-magnetic material, such as a cuboid plastic block.
  • the inert mass 9 is thereby applied. orders that it is arranged perpendicular to the conductor rail 6.
  • the inert mass 9 penetrates both the conductor ⁇ notes 6 and arranged around the conductor rail 6 in the triggering device 1 yoke 11.
  • the conductor rail 6 has an opening 12 in which the inertial mass 9 in the release direction can move.
  • the conductor rail 6 is widened in the region of the opening 12, so that despite the opening
  • the movement of the release armature 2 is a force and momentum transfer from the trigger armature 2 via the spring element 7 on the inertial mass 9.
  • the spring element 7 is for this purpose on the one hand connected to the trigger armature 2 and on the other hand with the inertial mass 9.
  • the inert mass 9 picks up the movement of the release armature 2 and likewise moves in the release direction 4.
  • the spring element 7 relaxes again and the release armature 2 moves further in the release direction 4 until it reaches its release position.
  • the movement of the Auslettean ⁇ core 2 is delayed in the release direction 4, whereby the operation of the triggering shaft 5 is delayed and the desired Se ⁇ selectivity is achieved.
  • Typical delay values, the device according to the invention with a triggering ⁇ 1 can be achieved, for example, lie in the order of 5-10ms.
  • the inertial mass 9 cooperates with a retarding device, which counteracts a movement of the inertial mass 9 by applying a counterforce 14 acting counter to the triggering direction 4.
  • this counterforce 14 is provided by a further, resilient force acting on the inertial mass 9
  • Counter element 15 causes, which is supported on a housing part 16 of the switching device.
  • the short circuit current exceeds a certain current limit value, for example ten times the rated current, then acts ei ⁇ ne such a large magnetic force 3 on the tripping armature 2 that he un ⁇ ter overcoming the spring force 8 of the spring element 7 UNMIT ⁇ telbar with virtually no time delay in its release Stel ⁇ ment is transferred.
  • a movement of the inertial mass 9 takes place only after the trip shaft 5 is actuated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Auslösevorrichtung (1) für ein Schaltgerät, mit einem magnetischen Auslöseanker (2), der zum Betätigen einer Schaltmechanik (5) im Kurzschlussfall unter der Wirkung einer durch ein stromabhängiges Magnetfeld erzeugten Magnetkraft (3) von einer Öffnungsstellung in eine Auslösestellung überführbar ist, und mit einem Federelement (7), welches den Auslöseanker (2) entgegen der Magnetkraft (3) in seiner Öffnungsstellung hält, sofern kein Kurzschluss vorliegt. Um eine konstruktiv einfache Lösung zum Erreichen einer Selektivität bei Schaltgeräten anzugeben, wird vorgeschlagen, das Federelement (7) derart auszubilden, dass die Zeitdauer der Überführung des Auslöseankers (2) in seine Auslösestellung im Kurzschlussfall von der Höhe des Kurzschlussstromes abhängt, wobei das Federelement (7) hierzu in Verbindung mit einer beweglichen trägen Masse (9) steht.

Description

Beschreibung
Magnetische Auslösevorrichtung für ein elektrisches Schaltge¬ rät
Die Erfindung betrifft eine magnetische Auslösevorrichtung für ein elektrisches Schaltgerät. Insbesondere betrifft die Erfindung eine magnetische Auslösevorrichtung für ein elektrisches Schaltgerät, mit einem magnetischen Auslöseanker, der zum Betätigen einer Schaltmechanik im Kurzschlussfall unter der Wirkung einer durch ein stromabhängiges Magnetfeld erzeugten Magnetkraft von einer Öffnungsstellung in eine Auslösestellung überführbar ist, und mit einem Federelement, wel¬ ches den Auslöseanker entgegen der Magnetkraft in seiner Öff- nungsstellung hält, sofern kein Kurzschluss vorliegt.
Derartige Auslösevorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Auslösen im Falle eines Kurzschlusses erfolgt dabei je nach Bauart entweder verzögerungslos oder aber - wenn eine Selektivität gewünscht ist - kurzzeitverzögert . Se¬ lektiv arbeitende Systeme werden immer dann benötigt, wenn übergeordnete und untergeordnete Schaltgeräte für einen si¬ cheren Anlagenschutz eingesetzt werden sollen. Von Nachteile bei selektiven Auslösevorrichtungen ist es jedoch, dass dafür aufwändige konstruktive Lösungen notwendig sind, welche die Herstellung der Schaltgeräte verteuern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine konstruktiv einfache Lösung zum Erreichen einer Selektivität bei Schaltgeräten anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Auslösevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Danach ist es vorgesehen, das Federelement derart auszubilden, dass die Zeitdauer der Überführung des Auslöseankers in seine Auslösestellung im Kurzschlussfall von der Höhe des Kurzschlussstromes abhängt, wobei das Federele¬ ment hierzu in Verbindung mit einer beweglichen trägen Masse steht. Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine bedingte Zeitverzögerung bei einem magnetischen Auslöser möglich.
Eine Kernidee der Erfindung ist es, im Kurzschlussfall eine bedingt verzögerte Auslösung mit konstruktiv sehr einfachen Mitteln zu erreichen. Hierzu wird das Federelement, welches den Auslöseanker entgegen der wirkenden Magnetkraft in seiner Öffnungsstellung hält, mit einer trägen Masse gekoppelt, so dass sich ein kombiniertes Feder-Masse-System ergibt. Die Ei- genschaften dieses Feder-Masse-Systems bewirken eine defi¬ nierte Selektivität bei sicherer Auslösecharakteristik. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können bessere Selektivitätswerte verwirklicht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Auslöseanker im Kurzschlussfall bei einem Kurzschlussstrom unterhalb eines bestimmten Stromgrenzwertes erst nach einer
Bewegung der trägen Masse - und damit zeitverzögert - in sei¬ ne Auslösestellung überführbar. Mit anderen Worten ist der Auslöser bei vergleichsweise geringen Kurzschlussströmen bis zu diesem Stromgrenzwert selektiv. Dabei gilt: Je höher der Strom, desto geringer die Zeitverzögerung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Auslöseanker im Kurzschlussfall bei einem Kurzschlussstrom oberhalb eines bestimmten Stromgrenzwertes in seine Auslösestellung überführbar, ohne dass zuvor eine Bewegung der trägen Masse erforderlich ist. Mit anderen Worten erfolgt das Auslösen beim Überschreiten des Stromgrenzwertes, d.h. bei hohen Kurzschlussströmen, unmittelbar und nahezu ohne Zeitverzögerung.
Durch einfache konstruktive Änderungen bei Federelement und träger Masse kann der für das Auslöseverhalten relevante Stromgrenzwert eingestellt und somit auf einfache Art und Weise eine äußerst präzise Selektivität erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng wirkt die träge Masse mit einer Verzögerungsvorrichtung zusammen, welche einer Bewegung der trägen Masse entgegenwirkt. Die träge Masse ist mit anderen Worten derart verwirk¬ licht, dass das Bewegen der trägen Masse selbst bei sehr ho¬ her Magnetkraft eine ausreichende Verzögerung mit sich bringt. Als besonders nützlich haben sich in diesem Zusammenhang Verzögerungsvorrichtungen erwiesen, die zur Bereitstellung einer solchen Gegenkraft mit Federelementen, Dämpfungselementen und/oder Reibungselementen arbeiten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die träge Masse aus einem nichtmagnetischen Ma¬ terial. Dadurch ist sie nicht - wie der Auslöseanker - der Magnetkraft unterworfen, so dass sehr kompakte Bauformen der Auslösevorrichtung möglich sind. Insbesondere kann dann die träge Masse unmittelbar benachbart zu dem Stromleiter ange¬ ordnet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spiels beschrieben, das mit Hilfe von Zeichnungen näher er- läutert wird. Hierbei zeigen in vereinfachten, schematischen Darstellungen :
FIG 1 eine Auslösevorrichtung in einer Seitenansicht und FIG 2 eine Auslösevorrichtung in einer Vorderansicht (oh- ne Auslöseanker) .
Die erfindungsgemäße magnetische Auslösevorrichtung 1 für ein elektrisches Schaltgerät, insbesondere einen geschlossenen Kompaktleistungsschalter (MCCB - moulded case circuit brea- ker) , umfasst einen Auslöseanker 2 aus einem magnetischen Material. Der Auslöseanker 2 dient zum Betätigen einer Schaltmechanik im Kurzschlussfall. Hierzu ist er unter der Wirkung einer durch ein stromabhängiges Magnetfeld erzeugten Magnet- kraft 3 von einer Öffnungsstellung in eine Auslösestellung überführbar. In FIG 1 ist der Auslöseanker 2 in seiner Öffnungsstellung dargestellt. Bei einem Auslösen bewegt sich der nach Art eines Klappankers ausgebildete Auslöseanker 2 um ei- nen Drehpunkt in Auslöserichtung 4 auf eine Auslösewelle 5 zu und betätigt diese. Dadurch wird ein Schalter (nicht abgebil¬ det) ausgelöst.
Das hier relevante Magnetfeld entsteht durch den Stromfluss I in dem Strompfadabschnitt des Schaltgerätes, welcher der Aus¬ lösevorrichtung 1 zugeordnet ist . Der Strompfadabschnitt ist dabei als eine Leiterschiene 6 aus Kupfer realisiert. Das Magnetfeld und die daraus resultierende Magnetkraft 3 sind sowohl im Normalfall (kein Kurzschluss) als auch im Kurz- schlussfall vorhanden. Lediglich die Stärke des Magnetfeldes und damit die Stärke der Magnetkraft 3 ändert sich in Abhän¬ gigkeit von der Stromstärke I. Aufgrund der Magnetkraft 3 wirkt auf den Auslöseanker 2 eine in Auslöserichtung 4 gerichtete Kraftkomponente.
Die erfindungsgemäße Auslösevorrichtung 1 umfasst weiterhin ein Federelement 7, hier in Form einer Schraubenfeder. Das Federelement 7 kann jedoch auch eine beliebige andere Form aufweisen, soweit die nachfolgend beschriebene Funktion des Federelements 7 damit verwirklicht werden kann. Die Feder¬ kraft 8 des Federelements 7 hält den Auslöseanker 2 entgegen der Magnetkraft 3 in seiner Öffnungsstellung, sofern kein Kurzschluss vorliegt, die Magnetkraft 3 also das normale Maß nicht übersteigt.
Das Federelement 7 ist nun derart ausgebildet, dass die Zeit¬ dauer der Überführung des Auslöseankers 2 in seine Auslöse¬ stellung im Kurzschlussfall von der Höhe des Kurzschlussstro¬ mes abhängt. Hierzu weist das Federelement 7 eine definierte Federkonstante auf. Darüber hinaus steht das Federelement 7 in Verbindung mit einer beweglichen trägen Masse 9 aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem quaderförmigen Kunststoffblock. Die träge Masse 9 ist dabei derart ange- ordnet, dass sie senkrecht zu der Leiterschiene 6 angeordnet ist. Dabei durchdringt die träge Masse 9 sowohl die Leiter¬ scheine 6 als auch das um die Leiterschiene 6 im Bereich der Auslösevorrichtung 1 angeordnete Joch 11. Zu diesem Zweck weist die Leiterschiene 6 eine Öffnung 12 auf, in der sich die träge Masse 9 in Auslöserichtung 4 bewegen kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterschiene 6 im Bereich der Öffnung 12 verbreitert, damit trotz der Öffnung
12 ein ausreichender Leitungsquerschnitt zur Stromführung ge- währleistet ist, vgl. FIG 2, in der die Auslösevorrichtung 1 ohne den Auslöseanker 2 in einer Vorderansicht (Blickrichtung
13 in FIG 1) dargestellt ist.
Bei einem Kurzschlussstrom unterhalb eines bestimmten Strom- grenzwertes, beispielsweise ab dem zehnfachen Nennstrom, ge¬ schieht nun folgendes: Die auf den Auslöseanker 2 wirkende Magnetkraft 3 bewirkt eine Bewegung des Auslöseankers 2 in Auslöserichtung 4 auf die Auslösewelle 5 zu. Diese Bewegung entgegen der Federkraft 8 des Federelementes 7 ist jedoch nicht so stark, dass der Auslöseanker 2 die Auslösewelle 5 betätigt. Auslöseanker 2 und Federelement 7 sind mit anderen Worten derart ausgebildet, dass der Auslöseanker 2 nicht in der Lage ist, das Federelement 7 soweit zusammenzudrücken, dass er direkt auslösen kann.
Mit der Bewegung des Auslöseankers 2 erfolgt eine Kraft- und Impulsübertragung von dem Auslöseanker 2 über das Federelement 7 auf die träge Masse 9. Das Federelement 7 ist hierzu einerseits mit dem Auslöseanker 2 und andererseits mit der trägen Masse 9 entsprechend verbunden. Daraufhin nimmt die träge Masse 9 die Bewegung des Auslöseankers 2 auf und bewegt sich ebenfalls in Auslöserichtung 4. Dadurch entspannt sich das Federelement 7 wieder und der Auslöseanker 2 bewegt sich weiter in Auslöserichtung 4, bis er seine Auslösestellung er- reicht. Insgesamt erfolgt somit die Bewegung des Auslösean¬ kers 2 in Auslöserichtung 4 verzögert, wodurch sich auch das Betätigen der Auslösewelle 5 verzögert und die gewünschte Se¬ lektivität erreicht wird. Dabei gilt: Je höher der Kurz- schlussstrom, desto geringer die Zeitverzögerung. Übliche Verzögerungswerte, die mit einer erfindungsgemäßen Auslöse¬ vorrichtung 1 erreicht werden, liegen beispielsweise in der Größenordnung von 5-10ms.
Die träge Masse 9 wirkt mit einer Verzögerungsvorrichtung zusammen, welche einer Bewegung der trägen Masse 9 entgegenwirkt durch Aufbringen einer entgegen der Auslöserichtung 4 wirkenden Gegenkraft 14. Diese Gegenkraft 14 wird in dem Aus- führungsbeispiel durch ein weiteres, auf die träge Masse 9 wirkendes, federndes Gegenelement 15 bewirkt, welches sich an einem Gehäuseteil 16 des Schaltgerätes abstützt.
Übersteigt der Kurzschlussstrom einen bestimmten Stromgrenz- wert, beispielsweise den zehnfachen Nennstrom, dann wirkt ei¬ ne so große Magnetkraft 3 auf den Auslöseanker 2, dass er un¬ ter Überwindung der Federkraft 8 des Federelements 7 unmit¬ telbar und nahezu ohne Zeitverzögerung in seine Auslösestel¬ lung überführt wird. Eine Bewegung der trägen Masse 9 erfolgt erst, nachdem die Auslösewelle 5 betätigt ist.
Entsprechend der zu erwartenden Kurzschlussstromstärken und der daraus resultierenden Feldstärken des Magnetfeldes sowie der Größe der Magnetkraft 3 einerseits und der gewünschten Auslöseverzögerung andererseits werden die Eigenschaften dieses Feder-Masse-Systems (u.a. Federkonstante und Abmessungen des Federelements 7, Abmessungen und Material der trägen Mas¬ se 9, Federeigenschaften des Gegenelementes 15) eingestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetische Auslösevorrichtung (1) für ein elektrisches Schaltgerät, - mit einem magnetischen Auslöseanker (2), der zum Betätigen einer Schaltmechanik (5) im Kurzschlussfall unter der Wirkung einer durch ein stromabhängiges Magnetfeld erzeugten Magnet¬ kraft (3) von einer Öffnungsstellung in eine Auslösestellung überführbar ist, und - mit einem Federelement (7), welches den Auslöseanker (2) entgegen der Magnetkraft (3) in seiner Öffnungsstellung hält, sofern kein Kurzschluss vorliegt, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Federelement (7) derart ausgebildet ist, dass die Zeitdauer der Überführung des Auslöseankers (2) in seine Auslösestellung im Kurzschlussfall von der Höhe des Kurzschluss¬ stromes abhängt, und
- dass das Federelement (7) hierzu in Verbindung mit einer beweglichen trägen Masse (9) steht.
2. Magnetische Auslösevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (2) im Kurzschlussfall bei einem Kurzschlussstrom unterhalb eines be¬ stimmten Grenzwertes erst nach einer Bewegung der trägen Mas- se (9) in seine Auslösestellung überführbar ist.
3. Magnetische Auslösevorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslöseanker (2) im Kurzschlussfall bei einem Kurzschlussstrom oberhalb eines be- stimmten Grenzwertes in seine Auslösestellung überführbar ist, ohne dass zuvor eine Bewegung der trägen Masse (9) erforderlich ist.
4. Magnetische Auslösevorrichtung (1) nach einem der Ansprü- che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die träge Masse (9) mit einer Verzögerungsvorrichtung (15) zusammenwirkt, welche einer Bewegung der trägen Masse (9) entgegenwirkt.
5. Magnetische Auslösevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die träge Masse (9; aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
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