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Die Erfindung betrifft ein Gleichstromschaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Es sind Schaltgeräte zum Schalten von Gleichströmen an sich bekannt. Jedoch war die Anwendung von Gleichstrom über lange Zeit in der Regel auf den Kleinleistungsbereich beschränkt, in welchem kaum Probleme beim Schalten der Gleichströme auftraten.
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Seit der Verbreitung von Fotovoltaikanwendungen sowie leistungsstarker Batterie-Back-up-Systeme für EDV-Serveranlagen ist es erforderlich auch Gleichströme höherer Spannung und Leistung zu Schalten. Dabei haben sich die bekannten Wechselstromschaltgeräte als in vielen Belangen ungeeignet erwiesen. So kann es etwa beim Schalten von Gleichströmen mit einem Wechselstromschalter selbst bei Spannungen und Strömen weit unter den maximalen Wechselstrom-Leistungsgrenzen des betreffenden Wechselstromschalters zu dessen Totalverlust kommen. Dies kann in weiterer Folge, neben dem Ausfall einer elektrischen Anlage, auch zu einem Brand führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Gleichstromschaltgerät der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, und mit welchem Gleichströme hoher Leistung sicher geschaltet werden können.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
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Dadurch kann ein Gleichstromschaltgerät geschaffen werden, welches ein hohes Schaltvermögen bei Gleichströmen aufweist, und welches daher dazu geeignet ist, Gleichströme hoher Leistung zu schalten. Ein derartiges Gleichstromschaltgerät weist eine hohe Sicherheit, insbesondere gegen thermische Zerstörung auf.
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Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines gegenständlichen Gleichstromschaltgeräts in teilweise geschnittener Ansicht im Aufriss;
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2 die Lichtbogenlöschanordnung des Gleichstromschaltgeräts gemäß 1 in axonometrischer Darstellung; und
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3 die Lichtbogenlöschanordnung gemäß 2 in geschnittener Ansicht im Aufriss.
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Die 1 bis 3 zeigen eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Gleichstromschaltgeräts 1, bzw. eine Lichtbogenlöschanordnung 6 eines solchen Gleichstromschaltgeräts 1, wobei das Gleichstromschaltgerät 1 wenigstens einen elektrischen Eingang 2 sowie wenigstens einen elektrischen Ausgang 3 aufweist, sowie mit wenigstens einem ersten Schaltkontakt 4, einem zweiten Schaltkontakt 5 und einer beweglichen Schaltbrücke 20, wobei ein Strompfad vom Eingang 2 zum Ausgang 3 elektrisch leitend verbunden ist, wenn der erste Schaltkontakt 4 und der zweite Schaltkontakt 5 mittels der Schaltbrücke 20 leitend verbunden sind, wobei das Gleichstromschaltgerät 1 weiters eine Lichtbogenlöschanordnung 6 aufweist, wobei die Lichtbogenlöschanordnung 6 eine erste Lichtbogenlöschkammer 7 und eine zweite Lichtbogenlöschkammer 8 aufweist, jeweils umfassend eine Mehrzahl an Löschblechen 9, und wobei das Gleichstromschaltgerät 1 eine Magnetanordnung 10 aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass auf – durch einen Schaltvorgang verursachte – Lichtbögen 11, in der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 und in der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8, jeweils eine Lorentzkraft 12 in Richtung der Löschbleche 9 wirkt.
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Dadurch kann ein Gleichstromschaltgerät 1 geschaffen werden, welches ein hohes Schaltvermögen bei Gleichströmen aufweist, und welches daher dazu geeignet ist, Gleichströme hoher Leistung zu schalten. Ein derartiges Gleichstromschaltgerät 1 weist eine hohe Sicherheit, insbesondere gegen thermische Zerstörung auf.
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Die gegenständliche Erfindung betrifft Schaltgeräte, welche für das Schalten von Gleichströmen vorgesehen und speziell ausgebildet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Gleichstromschaltgeräte 1, welche zum bestimmungsgemäßen Schalten hoher Spannungen im Bereich mehrerer Hundert Volt, etwa 600V Betriebsspannung, sowie von Strömen im zweistelligen Amperebereich vorgesehen und ausgebildet sind.
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Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform eines Gleichstromschaltgeräts 1 mit einer einzelnen Schaltstrecke näher beschrieben. Es können aber auch Ausführungen mit mehreren parallelen Schaltstrecken vorgesehen sein.
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Ein gegenständliches Gleichstromschaltgerät 1 weist einen elektrischen Eingang 2 sowie einen elektrischen Ausgang 3 auf, welche bevorzugt als Schraubklemmen ausgebildet sind, wie auch in 1 dargestellt. Weiters weist das Gleichstromschaltgerät 1 ein Isolierstoffgehäuse auf.
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Das Gleichstromschaltgerät 1 weist eine einzelne Schaltstrecke auf, wobei jedoch eine doppelte Unterbrechung dieser einzelnen Schaltstrecke vorgesehen ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Schaltkontakt 4, 5 gehäusefest angeordnet sind, und durch eine bewegliche Schaltbrücke 20 elektrisch leitend verbunden werden können, wodurch ein elektrisch leitender Strompfad vom Eingang 2 zum Ausgang 3 gebildet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Stellung der Schaltbrücke 20 durch den Schalthebel 19 manuell steuerbar ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Schalthebel 19 über ein Sprungeinschaltwerk auf die Schaltbrücke 20 wirkt, um ein sprunghaftes Öffnen und Schließen der Schaltstrecke zu erreichen. Es kann auch vorgesehen sein, das gegenständliche Gleichstromschaltgerät 1 als sog. Selbstschalter auszuführen, welches einen oder mehrere Auslöser, etwa einen Überstromauslöser und/oder einen Kurzschlussauslöser aufweist. Weiters ist bevorzugt vorgesehen, dass das Gleichstromschaltgerät 1 ein Schaltschloss aufweist, insbesondere bei Ausführung des Selbigen als Selbstschalter.
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Bei geschlossenen Schaltkontakten erfolgt der Stromfluss durch das dargestellte Gleichstromschaltgerät 1 vom elektrischen Eingang 2 zum ersten Schaltkontakt 4, von diesem über die Schaltbrücke 20 zum zweiten Schaltkontakt 5 und von diesem weiter zum elektrischen Ausgang 3. Wenngleich die Schaltbrücke 20 dabei zwei, als elektrische Kontakte ausgebildete Bereiche aufweist, um mit dem ersten Schaltkontakt 4 und dem zweiten Schaltkontakt 5 zu kontaktieren, wird diese in der Diktion der gegenständlichen Anmeldung lediglich als Schaltbrücke 20 bezeichnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass auch der erste Schaltkontakt 4 und der zweite Schaltkontakt 5 als bewegliche elektrische Kontakte ausgebildet sind.
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Das Gleichstromschaltgerät 1 weist weiters eine Lichtbogenlöschanordnung 6 auf, um Lichtbögen 11, welche im Zuge eines Schaltvorgangs entstehen, zum Verlöschen zu bringen. Dadurch soll verhindert werden, dass aufgrund sog. „stehender“ Lichtbögen 11 weiterhin ein Stromfluss über das Gleichstromschaltgerät 1 erfolgt und zudem aufgrund der thermischen Wirkung der Lichtbögen 11 eine Beschädigung des Gleichstromschaltgeräts 1 erfolgt. Derartige Lichtbögen 11 treten insbesondere bei einem Ausschaltvorgang auf. „Ausschaltvorgang“ bezeichnet dabei das Trennen der Schaltbrücke 20 von dem ersten und zweiten elektrischen Schaltkontakt 4, 5 zum Unterbinden eines Stromflusses durch das Gleichstromschaltgerät 1. Die physikalischen Zusammenhänge beim Zünden eines Lichtbogens sind im Induktionsgesetz beschriebenen.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Lichtbogenlöschanordnung 6. Bei der Darstellung gemäß 2 sind der erste Schaltkontakt 4 und der zweite Schaltkontakt 5 dargestellt, wobei diese jedoch ohne jede weitere Kontaktierung dargestellt sind, um lediglich deren Anordnung relativ zu den jeweiligen Lichtbogenlöschkammern 7, 8 zu veranschaulichen. Selbiges trifft auf die ebenfalls in 2 dargestellte Schaltbrücke 20 zu.
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Die Lichtbogenlöschanordnung 6 weist eine erste Lichtbogenlöschkammer 7 und eine zweite Lichtbogenlöschkammer 8 auf. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Lichtbogenlöschkammer 7 dem ersten Schaltkontakt 4 zugeordnet ist, und dass die zweite Lichtbogenlöschkammer 8 dem zweiten Schaltkontakt 5 zugeordnet ist. Der Begriff „zugeordnet“ bezeichnet in diesem Zusammenhang eine Anordnung der betreffenden Lichtbogenlöschkammer 7, 8 gegenüber dem angegebenen Schaltkontakt 4, 5 in der Art, dass ein an dem Schaltkontakt 4, 5 entstehender Lichtbogen 11 seinen Weg in bzw. an die betreffende Lichtbogenlöschkammer 7, 8 findet. 2 zeigt die beiden Schaltkontakte 4, 5 im Bereich der jeweiligen Lichtbogenlöschkammer 7, 8.
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Bevorzugt ist, wie bei der dargestellten Ausführungsform, vorgesehen, dass die erste Lichtbogenlöschkammer 7 und die zweite Lichtbogenlöschkammer 8 in dem Gleichstromschaltgerät 1 parallel nebeneinander angeordnet sind, wie in 2 und 3 dargestellt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass je eine Lichtbogenlaufschiene 18 mit dem ersten Schaltkontakt 4 sowie mit dem zweiten Schaltkontakt 5 jeweils leitend verbunden ist, welche gegenüber den Löschblechen 9 in der Lichtbogenlöschanordnung 6, daher in der jeweiligen Lichtbogenlöschkammer 7, 8, angeordnet sind. In den 1 bis 3 ist lediglich die mit dem ersten Schaltkontakt 4 verbundene Lichtbogenlaufschiene 18 dargestellt.
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In der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 und der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8 sind jeweils eine Mehrzahl an Löschblechen 9 angeordnet. Die Löschbleche 9 sind dabei bevorzugt im Wesentlichen Normal auf die Lichtbogenlaufschiene 18 angeordnet. Jeweils wenigstens ein Löschblech 9 der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 ist dabei mit einem Löschblech 9 der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8 elektrisch leitend verbunden.
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Wird – bei einem Stromfluss über das Gleichstromschaltgerät 1 – die Schaltbrücke 20 von dem ersten Schaltkontakt 4 und dem zweiten Schaltkontakt 5 weg bewegt, entsteht ein Lichtbogen 11 vom ersten Schaltkontakt 4 zur Schaltbrücke 20, sowie ein weiterer Lichtbogen 11 von der Schaltbrücke 20 zum zweiten Schaltkontakt 5. Bei einer gewissen Länge der durch die Lichtbögen 11 zu überbrückenden Luftstrecke springen diese zu den Löschblechen 9 der Lichtbogenlöschkammern 7, 8 über. Es hat sich dabei gezeigt, dass die zu diesem Zeitpunkt bestehenden Lichtbögen 11 eine erstaunliche Stabilität aufweisen, und es sein kann, dass diese Lichtbögen 11 an den betreffenden Löschblechen 9, an denen sie Kontaktieren, bestehen bleiben, bis es zur thermischen Zerstörung des Gleichstromschaltgeräts 1 kommt. Dieses Problem ist in der Wechselstromtechnik in der Art nicht bekannt, da es aufgrund der ständig erfolgenden Nulldurchgänge der anliegenden Spannung schnell zu einem Verlöschen auftretender Wechselstromlichtbögen kommt.
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Es ist daher vorgesehen, dass das Gleichstromschaltgerät 1 eine Magnetanordnung 10 aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass auf die – durch einen Schaltvorgang verursachten – Lichtbögen 11, in der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 und in der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8, jeweils eine Lorentzkraft 12 in Richtung der Löschbleche 9 wirkt. Daher, dass auf die jeweils auftretenden Lichtbögen 11 eine Lorentzkraft 12 wirkt, welche den Lichtbogen 11 in der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 und den Lichtbogen 11 in der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8 jeweils hin zu den Löschblechen 9 beschleunigt und die Lichtbögen 11 förmlich an die Löschbleche 9 bzw. in die Zwischenräume zwischen den Löschblechen 9 drückt.
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Da es sich bei einem Lichtbogen 11 um bewegte elektrische Ladungen handelt, wirken auf diesen in einem Magnetfeld auch entsprechende Kräfte. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung 10 ein B-Feld erzeugt, welches im Bereich der Lichtbögen 11 normal zur Längserstreckung der Lichtbögen 11 ist. Dies ist etwa in 3, welche eine besonders bevorzugte Ausführungsform der gegenständlichen Erfindung zeigt dargestellt. Dabei sind in 3 die beiden Lichtbögen 11 als Vektoren, welche projizierende auf die Schnittebene angeordnet sind, dargestellt, sowie die jeweils wirkenden Lorentzkräfte 12 bzw. F. Die Bereiche in denen Lichtbögen 11 auftreten sowie deren Richtung, sind durch die Konstruktion des Gleichstromschaltgerät 1 vorgegeben bzw. können durch die Konstruktion des Gleichstromschaltgerät 1 beeinflusst werden.
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Es kann jede Art der Anordnung von Magneten in der Magnetanordnung 10 vorgesehen sein, welche geeignet ist, die angeführte Funktion zu erzielen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Magnetanordnung 10 wenigstens einen ersten Magnet 13 und einen zweiten Magnet 14 aufweist, insbesondere, dass die Magnetanordnung 10 genau einen ersten und einen zweiten Magnet 13, 14 aufweist. Dadurch ist bei der Anordnung mit zwei getrennten Lichtbogenlöschkammern 7, 8 eine sehr gute Wirkung erzielbar mit geringem konstruktiven Aufwand.
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Es hat sich als besonders einfach zu implementierende Ausführung der gegenständlichen Erfindung erwiesen, dass der erste Magnet 13 und der zweite Magnet 14 mit aufeinander zuweisenden Polen gleicher Polarität in dem Gleichstromschaltgerät 1 angeordnet sind. Daher, dass der erste Magnet 13 und der zweite Magnet 14 beispielsweise jeweils derart angeordnet sind, dass deren Nordpole aufeinander hin gerichtet sind, daher dass sich die beiden Magnete 13, 14 abstoßen.
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Es hat sich dabei als Vorteilhaft erwiesen, den ersten Magnet 13 und den zweiten Magnet 14 jeweils als flache bzw. flächenförmige Magnete, mit sehr geringer Dicke, auszuführen, deren Pole jeweils an den Deckflächen ausgebildet sind. Daher eine der beiden Flächen ist vollflächig ein Südpol und die andere Fläche ein Nordpol. Bevorzugt handelt es sich bei den verwendeten Magneten jeweils um Permanentmagneten.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Anordnung des ersten Magneten 13 seitlich an der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 sowie des zweiten Magneten 14 seitlich an der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8 erwiesen, wodurch eine sehr gleichmäßige B-Feld-Verteilung in den beiden Lichtbogenlöschkammern 7, 8 erreicht werden kann.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich der Fertigung erwiesen, dass der erste Magnet 13 und der zweite Magnet 14 zwischen der ersten Lichtbogenlöschkammer 7 und der zweiten Lichtbogenlöschkammer 8 angeordnet sind. Die beiden Magnete 13, 14 sind dabei in einem Steg 15 zwischen den beiden Lichtbogenlöschkammern 7, 8 angeordnet, wie dies in 3 dargestellt ist. In 2 ist der derart gebildete Steg 15 deutlich zu erkennen. Durch diesen Steg 15 ergibt sich zudem ein Abstand zwischen den beiden Lichtbogenlöschkammern 7, 8, welcher die thermische Belastbarkeit der gesamten Lichtbogenlöschanordnung 6 erhöht.
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Zum Erzielen eines gleichmäßigen Magnetfeldes B in den beiden Lichtbogenlöschkammern 7, 8 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass außen um die erste Lichtbogenlöschkammer 7 und die zweite Lichtbogenlöschkammer 8 jeweils bereichsweise ein U-förmiges Joch 16, 17 angeordnet ist. Dabei ist insbesondere, und wie in 3 dargestellt vorgesehen, dass einander zugewandte Schenkel der beiden Joche 16, 17 im Bereich des Stegs 15 aneinander anliegend angeordnet sind, und jeweils unmittelbar an diese Schenkel anliegend der erste bzw. der zweite Magnet angeordnet sind. Die beiden Joche 16, 17 sind aus ferromagnetischem Werkstoff gebildet.
