DE3785202T2

DE3785202T2 - Ausschalter mit solenoidspulenausloesung.

Info

Publication number: DE3785202T2
Application number: DE8787908039T
Authority: DE
Inventors: F Dvorek; M Winter
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1987-10-23
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2007-10-24
Also published as: CA1272233A; EP0298092A1; EP0298092B1; US4731692A; DE3785202D1; EP0298092A4; WO1988003336A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ausschalter mit einer Auslösesolenoidanordnung und insbesondere einen Ausschalter mit hoher Strombelastbarkeit.

Bezug zu verwandten Anmeldungen

Die vorliegende Erfindung ist verwandt mit Material aus den folgenden anhängigen US-Anmeldungen des Anmelders in der vorliegenden Anmeldung; ihr Offenbarungsgehalt wird unter Bezugnahme auf sie zum Teil der vorliegenden Anmeldung gemacht.
US-Patentanmeldung 922.966 (DEC-56) "Circuit Breaker Arc Stack Assembly", vom 24. 10. 1986 (Erfinder: J. M. Winter);
US-Patentanmeldung 922.577 (DEC-57) , "Trident Arc Horn for Circuit Breaker", vom 24. 10. 1986 (Erfinder: A. A. Maulandi, K. J. Green, G. A. Volesky);
US-Patentanmeldung 922.968 (DEC-58), "Circuit Breaker with Positive ContactIndication", vom 24. 10. 1986 (Erfinder: J. Winter, D. R. Schiefen);
US-Patentanmeldung 922.576 (DEC-59), "Circuit Breaker Contact Assembly", vom 24. 10. 1986 (Erfinder: J. M. Winter);
US-Patentanmeldung 922.575 (DEC-61) "Electronic Circuit Breaker with Withstand Capability", vom 24 10. 1986 (Erfinder: J. M. Winter).

Hintergrund der Erfindung

Mit steigenden Forderungen an das Stehvermögen und die Unterbrechungsfähigkeiten von Ausschaltern müssen diese auch den Kräften widerstehen, die die höheren Ströme erzeugen. Weiterhin erzeugen die höheren Ströme einen magnetischen Fluß, der die Funktion des Ausschalters beeinträchtigen kann. Mit dem Fortschritt der Technik werden Ausschalter in kleinere Gehäuse eingebaut, was das Problem der unerwünschten Auswirkungen des magnetischen Flusses verschärft. Wird insbesondere von einem Ausschalter ein hohes Stehvermögen verlangt und liegt der Phasenleiter nahe am Auslösemagnet, können Fehlauslösungen erfolgen.
Ein Auslösesolenoid weist oft ein Gehäuse, einen Stößel, eine Feder, einen Permanentmagneten sowie eine Auslösespule auf. Der Permanentmagnet und die Feder üben im allgemeinen entgegengesetzte Kräfte auf den Stößel aus. Beim Erregen der Auslösespule erzeugt sie einen dem Permanentmagnet entgegengesetzten Fluß, der ausreicht, daß die Feder den Stößel vom Permanentmagneten hinwegziehen kann.
Ist die Auslösesolenoidanordnung in verhältnismäßig großer Nähe zu einem Phasenleiter angeordnet, erzeugt ein hoher Strom im Phasenleiter einen Fluß, der ausreicht, um das Gleichgewicht zwischen den anderen auf den Stößel wirkenden Kräften zu stören. Ist bspw. der Strom im Phasenleiter hoch und liegt er bei oder nahe dem Stehvermögen, läuft der Stößel u. U. in die Auslösestellung, obgleich die Auslösespule nicht erregt worden ist. Der Stößel sollte in der verriegelten Stellung verbleiben, bis die Auslöseelektronik ein Auslösesignal abgegeben hat.
Beim Stand der Technik wurden diese Fehlauslösungen vermieden, indem man die Auslösesolenoidanordnung in größere Entfernung zum Phasenleiter brachte oder den Abstand zwischen der Kraft des Permanentmagneten und der der Feder vergrößerte. Letzteres hat den Nachteil, daß mehr Energie erforderlich ist, um die Auslösesolenoid- und Ausschaltmechanik zu entriegeln. Im Stand der Technik hatten derartige Fehlauslösungen auch bei Ausschaltern mit geringem Stehvermögen keine so große Bedeutung.
Die EP-A-121963 lehrt einen Ausschalter mit einem Wandler, der mit einer elektronischen Komponente gekoppelt ist, der mit einer Schlagspule gekoppelt ist. Der Wandler erfaßt externe mechanische Schwingungen; bei Erfassung durch die elektronische Komponente wird die Schlagspule für eine bestimmte Dauer erregt, so daß der Überstromauslöser nicht aus der Normal- oder Sollstellung herausgeschüttelt werden kann.
Es besteht Bedarf an einem Ausschalter mit einer Auslösesolenoidanordnung, bei dem ein nahegelegener Phasenleiter einen hohen Strom führen kann, ohne daß Fehlauslösungen auftreten, während zum Entriegeln der Betätigungsmechanik nur eine Quelle geringer Energie erforderlich ist.
Diese und andere Besonderheiten der Erfindung ergeben sich ausführlicher aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen, die folgen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung einer Auslösesolenoidanordnung und deren Flußlinien;
Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Teils der Auslöseeinheit;
Fig. 3 ist eine Draufsicht einer Auslösesolenoidanordnung;
Fig. 4 ist eine Endansicht der Auslösesolenoidanordnung der Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Seitenansicht eines Ausschalters im ausgelösten Zustand;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines Teils des Ausschalters in der geschlossenen Stellung; und
Fig. 7 ist eine Teilansicht von unten der beweglichen Kontakte und des Lichtbogenhorns auf der Linie 7-7 der Fig. 5.

Beschreibung der Erfindung

Was nun die Zeichnungen und insbesondere die Fig. 1 anbetrifft, ist dort eine Auslösespulenanordnung - allgemein mit 10 bezeichnet - neben einem Phasenleiter 12 gezeigt. Die Auslösespulenanordnung 10 weist einen Metallstößel 14 auf, der im Rahmen 16 der Auslösespulenanordnung hin- und herbewegbar ist. Außer wenn die Auslösesolenoidanordnung erregt wird, befindet sich der Stößel 14 an einem Flußkonzentrierer 20, das an einem Permanentmagneten 20 angeordnet ist. Den Stößel 14 umgibt eine Metallhülse 24, auf die eine Auslösespule 26 sowie eine Stützspule 28 gewickelt sind. Die Auslösespule 26 und die Stützspule 28 können nebeneinander - wie in Fig. 1 gezeigt - oder aufeinander gewickelt sein.
Dem Zug des Permanentmagneten 20 wirkt eine Druckfeder 30 entgegen. Die auf den Stößel 14 wirkende Kraft der Feder 30 ist niedrige als die Anzugskraft des Magneten 20, so daß der Stößel an den Flußkonzentrator 18 herangeführt wird, wenn nur die Magnet- und die Federkraft auf den Stößel 14 wirken.
Erfaßt die elektronische Auslöseeinheit 66 (teilweise in Fig. 2 gezeigt) einen Überstrom, der hinsichtlich der Dauer und der Stromstärke vorbestimmte Eigenschaften übersteigt, erregt sie die Auslösespule 26, so daß der Stößel 14 in die Ausfahrstellung gewegt wird, wie gestrichelt in der Fig. 1 gezeigt. Die Flußlinien in Fig. 1 zeigen den magnetischen Fluß, den die verschiedenen Bestandteile der Auslösesolenoidanordnung auf den Stößel während derjenigen Hälfte der Wechselstromperiode ausüben, in der der Fluß des Phasenleiters dem des Permanentmagneten entgegenwirkt.
Der Fluß des Permanentmagneten und der der Stützspule halten den Stößel gegen den Flußkonzentrator 18 fest, während der Fluß sowohl der Auslösespule als auch der des Phasenleiters die Bewegung des Stößels in die Ausfahrstellung unterstützen. Die Stützspule 28 wird nur dann erregt, wenn der Strom im Phasenleiter 12 den Fluß des Permanentmagneten so weit übersteigt, daß die Feder den Stöeßl 14 in die Ausfahrstellung drückt. Die erregte Stützspule 28 erzeugt einen Fluß, der den Permanentmagneten dabei unterstützt, den Stößel 14 am Flußkonzentrator 18 zu halten, bis die Auslösespule 26 erregt wird. Die Stützspule 28 wird während der Erregung der Auslösespule 26 stromlosgeschaltet, da sie einen dem der Auslösespule entgegengesetzten Fluß erzeugt.
Wird die Auslösespule 26 ferngesteuert oder infolge eines Überstroms erregt, läuft der Stößel in die Ausfahrstellung. Der ausgefahrene Stößel schlägt auf den Auslösehebel 68 auf und entriegelt damit den Ausschalter. Sobald der Stößel 14 auf den Auslösehebel 68 schlägt, dreht dieser im Uhrzeigersinn, so daß der Auslösehebelstift 70 den Sekundärriegel 74 freigeben kann. Der Sekundärriegel 74 und der Schnellauslöseriegel 76 drehen im Gegenuhrzeigersinn, geben die Rolle 78 am Sattelriegel frei und erlauben dem Sattelriegel 80, im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Die Sattelrolle 82 läuftdann nach oben, während die Sattelschwinge 84 im Uhrzeigersinn schwenkt, und zieht das obere Glied 88, das untere Glied 90, den Messerträger 92 und die obere Klinge 93 nach oben, um die beweglichen Hauptkontakte 94 und den beweglichen Abbrennkontakt 95 von dem unteren Hauptkontakten 96 und dem unteren Abbrennkontakt 98 zu trennen.
Beim Auslösen des Ausschalters wird der Stößel 14 selbstätig rückgesetzt. Sobald der Ausschalter auslöst, bewegt sich die Sattelschwinge nach oben und bewegt dabei eine Blattfeder 48, die den gemeinsamen Auslösestab 50 dreht. Der Auslösestab 50 ist an einem Hebel 51 im Mittelpol befestigt. Der Hebel 51 dreht dann, um den Rücksetzwinkel 52 zu schwenken, und drückt den Stößel 14 auf den Flußkonzentrator. Der Stößel 14 verbleibt in dieser Lage, bis die Auslösespule 26 erneut erregt wird. Der Rücksetzwinkel 52 wird in die Sollage am Stößel 14 von einer Rücksetzfeder 54 zurückgeführt, die als Schraubenfeder um den Stift 56 gewickelt ist, um den der Rücksetzwinkel 52 schwenkt.
Das Erregen der Stützspule 28 wird von der in Fig. 2 allgemein mit 58 bezeichneten Stützspulen-Steuerschaltung gesteuert. Ein Stromwandler überwacht den Strom in jedem Phasenleiter 12. Die Sekundärwicklungen 60a, 60b, 60c des Stromwandlers sind über Brücken BR1 und BR2 so miteinander verschaltet, daß sie einen gleichgerichteten Vollwellenstrom auf der Leitung 62 erzeugen. Die Steuerschaltung ist durch eine Diode CR5 sowie die Metalloxidvaristoren MOV12, MOV2, die in Reihe zwischen die Leitung 62 und Masse gelegt sind, gegen hohe Energien aus dem Stromwandler geschützt. Hier ist nur derjenige Teil der Steuerschaltung beschrieben, der die Erregung der Stützspule unmittelbar betrifft.
Die Leitung 62 ist gleichzeitig an den Widerstand R1 und an den Emitter des Transistors Q1 geführt. Die Basis des Transistors Q1 ist mit dem anderen Anschluß des Widerstands R1 und mit der Kathode der Zenerdiode CR1 verbunden. Die Anode der Zenerdiode CR1 und der Kollektor des Transistors Q1 sind gleichzeitig mit einer Stützspule 28, der Kathode der Diode CR2 und einem an Masse gelegten Kondensator C1 verbunden. Die Anode der Diode CR2 und der andere Anschluß der Stützspule 28 sind mit der Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors (FET) Q2 verbunden. Die Source-Elektrode des Transistors Q2 liegt an Masse, sein Gate-Anschluß gleichzeitig an einem Widerstand R3 und an der Parallelschaltung eines Kondensators C2 und eines Widerstands R2, deren andere Seite an Masse liegt. Der zweite Anschluß des Widerstands R3 liegt über den Widerstand R4 an der Leitung 62 sowie an der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors Q3.
Die Widerstände R1, R2, R3 und R4, die Kondensatoren C1, C2, die Dioden CR1, CR2, die Stützspule 28 und die Transistoren Q1, Q2 sind Teil der Stützspulen-Erregungsschaltung 64, wie sie die Fig. 2 zeigt. Die Stützspulen- Erregungsschaltung 64 ist elektrisch von der Auslöseelektronik 66 durch einen Widerstand R5 getrennt, der in die Leitung 62 zwischen den Anschluß zum Emitter des Transistors Q1 und dem zur Auslösespule 26 eingefügt ist. Das andere Ende der Auslösespule 26 ist mit der Anode der Diode CR3 verbunden, die Kathode der Diode CR3 mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors Q3.
Eine Freilaufdiode CR6 ist über die Auslösespule 26 und die Diode CR 3 gelegt. Die Source-Elektrode des Transistors Q3 ist an Masse gelegt. Die Gate-Elektrode des Transistors Q3 ist mit einer an Masse gelegten Parallelschaltung eines Kondensators C3 und eines Widerstands R6 verbunden. Die Gate-Elektrode des Transistors Q3 liegt weiterhin über einen Widerstand R7 an einer Leitung 70, die zum Rest der Steuerschaltung der Auslöseelektronik führt. Die Leitung 70 erhält das Auslösesignal von der Steuerschaltung, um den Ausschalter auszulösen, wie unten beschrieben.
Weiterhin ist die Leitung 62 gleichzeitig mit dem Widerstand R8 und dem Emitter des Transistors Q4 verbunden. Die Basis des Transistors Q4 ist mit der anderen Seite des Widerstands R8 und mit der Kathode der an Masse gelegten Zenerdiode CR4 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q4 liegt an Masse. Die Leitung 62 ist dann mit dem Rest der elektronischen Auslöseeinheit verbunden.
Befindet der Ausschalter sich in der Schließstellung und liegt der Strom in den Phasenleitungen 12 innerhalb akzeptabler Grenzen, geben die Stromwandler 60a, 60b, 60c Strom an die Leitung 62. Die Spannung auf der Leitung 62 ist proportional dem höchsten der Wandler-Sekundärströme und damit proportional zum stärksten der Phasenströme. Da die Sperrpsnanung der zenerdiode CR1 noch nicht erreicht ist, fließt kein Strom im Transistor Q1. Es fließt also auch durch die Stützspule 28 kein Strom. Es fließt ein schwacher Strom durch die Auslösespule 26; er reicht jedoch nicht aus, um die Auslösespule voll zu erregen. Dieser Strom wird an die Gate-Elektrode des Transistors Q2 gelegt. Zu dieser Zeit fließt kein Strom durch die Stützspule 28, da der Transistor Q2 noch nicht durchgeschaltet ist.
Erreicht der Strom im Phasenleiter 12 einen Wert, bei dem der erzeugte Fluß fast ausreicht, um den Stößel 14 in die Ausfahrstellung freizugeben, ist erwünscht, die Stützspule 28 zu erregen. Bei diewer Stromstärke wird die Sperrspannung der Zenerdiode CR1 überschritten und der Transistor Q1 durchgeschaltet. Die Stützspule 28 führt Strom, um den Stößel in der Einfahrstellung zu halten. Zu diese Zeit ist auch der Transistor Q2 durchgeschaltet.
Übersteigt der Strom im Phasenleiter einen vorbestimmten Wert, erregt nach einer vorbestimmten Zeitspanne die elektronische Auslöseeinheit die Auslösespule. Ein Auslösesignal auf der Leitung 70 aus dem Rest der elektronischen Auslöseeinheit erregt die Gate-Elektrode des Transistors Q3. Der Transistor Q3 schaltet durch und erlaubt einen ausreichend starken Stromfluß in der Auslösespule 26, um diese zu erregen, wodurch die Arbeitsmechanik entriegelt und die Kontakte des Ausschalters geöffnet werden. Der Strom in der Auslösespule 26 und im Widerstand R4 werden über den Widerstand Q3 nach Masse abgeleitet, so daß die Gate-Elektrode des Transistors Q2 gesperrt wird. Der Transistor Q2 sperrt also und öffnet den Rückstromweg zum Erregen der Stützspzule 28. Die Stützspule 28 wird also während des Erregungsintervalls der Auslösespule 26 - von etwa einigen Millisekunden Dauer - nicht erregt.
Der Transistor Q4, der Widerstand R8 und die Zenerdiode CR4 bilden eine Nebenschlußregelschaltung, die die Spannung der elektronischen Auslöseeinheit auf ca. 10 v hält. Die hier für die Diode CR5 und die Metalloxidvaristoren MOV1, MOV2 beschriebenen Schutzbauteile begrenzen die Eingangsspannung der Stützspulen-Erregungsschaltung 64 und der elektronischen Auslöseeinheit auf ca. 64 v. Diese Bauteile sind so gewählt, daß sie die Spannung auf der Leitung 62 auf einen Wert klemmen, der hoch genug ist, daß das Arbeiten der Stützspulen-Erregungsschaltung nicht gestört wird. Die Ungleichheit zwischen der Höchstspannung der Stützspulen-Erregungschaltung 64 und der elektronischen Auslöseeinheit 66 wird durch Einfügen eines Strommeßwiderstands R5 ermöglicht.

Claims

1. Ausschalter mit einem Paar trennbarer Kontakte (94, 96) mit einer Offen- und einer Schließstellung, mit einer Auslöseeinrichtung (68) zum Bewegen der Kontakte (94, 96) zwischen der Offen- und der Schließstellung, wobei die Auslöseeinrichtung (68) die Kontakte (94, 96) bei Aktivierung in die Offenstellung bewegt mit einem Stößel (14), der die Auslöseeinrichtung (68) aktiviert, wenn er in einer ersten Richtung in eine Ausfahrstellung bewegt wird, mit einer Auslösespule (26), die den Stößel (14) umgibt und ihn, wenn sie erregt wird, in eine erste Richtung bewegt, und mit einer Schaltungseinrichtung (60, 64, 66), um den im Phasenleiter fließenden Strom zu erfassen, wobei die Schaltungseinrichtung (60, 64, 66) die Auslösespule (26) erregt, wenn der Strom im Phasenleiter einen vorbestimmten Überstromwert ereeicht, gekennzeichnet durch einen nahe dem Stößel (14) angeordneten Phasenleiter, durch eine Stützspule (28), die an der Auslösespule (28) angeordnet ist und bei Erregung eine Kraft auf den Stößel (14) in einer zweiten, der ersten entgegengesetzten Richtung und auf eine Einfahrstellung hinzu ausübt, wobei die Schaltungseinrichtung (60, 64, 66) die Stützspule (28) erregt, wenn der Strom im Phasenleiter einen vorbestimmten ersten Wert erreicht.

2. Ausschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (60, 64, 66) einen ersten Transistor Q1 aufweist, der mit der ersten Seite der Stützspule (28) verbunden ist, wobei der erste Transistor Q1 durchgeschaltet wird, wenn der Strom im Phasenleiter den ersten vorbestimmten Wert erreicht.

3. Ausschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (60, 64, 66) zusätzlich einen zweiten Transistor Q2 aufweist, der mit der zweiten Seite der Stützspule (28) verbunden ist, wobei der zweite Transistor Q2 durchweg durchgeschaltet ist mit Ausnahme der Zeiten, in denen die Auslösespule (26) erregt ist.

4. Ausschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (60, 64, 66) zusätzlich einen dritten Transistor Q3 aufweist, der mit der Auslösespule (26) und dem zweiten Transistor Q2 verbunden ist, und daß der dritte Transistor Q3 die Auslösespule (26) einschaltet und den zweiten Transistor Q2 sperrt, wenn der Strom im Phasenleiter (12) den vorbestimmten Überstromwert erreicht.

5. Ausschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Permanentmagnet (20) vorgesehen ist und daß der Stößel (14) in seiner Einfahrstellung sich am Permanentmagneten (20) befindet.

6. Ausschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützspule (28) während der Zeiten, in denen die Auslösespule (26) erregt ist, nicht erregt ist.

7. Ausschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom im Leiter (12) einen Fluß erzeugt, der ohne Erregung der Auslösespule (26) den Kolben (14) in die Ausfahrlage bewegen will, wobei der vorbestimmte erste Wert nicht höher ist als der Strom, der ohne Erregung der Auslösespule (26) den Stößel (14) in die Ausfahrstellung drückt.

8. Ausschalter nach Anspruch 1, bei dem der Stößel (14) beim Erreichen der Ausfahrstellung sofort von der Auslöseeinrichtung (68) erfaßt und in die Einfahrstellung zurückgebracht wird.