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Schutzeinrichtung gegen unsymmetrische Strom- oder Spannungsverteilung
Die Erfindung betrifft Schutzvorrichtungen gegen unsymmetrische Strom- und Spannungsverteilung
in Drehstromanlagen mit drei im wesentlichen einander gleichen Strombeheizten Ausdehnungskörpern.
Von den bekannten Vorrichtungen dieser Art unterscheidet sie sich durch eine durch
die Ausdehnung eines dieser Körper gesteuerte Aus-Lösevorrichtung, die sich unter
Federkraft auf den beiden anderen Ausdehnungskörpern oder von diesen gesteuerten
Gliedern derart abstützt, daß sie bei symmetrischer Stromverteilung, also gleicher
Ausdehnung der drei Körper, deren Ausdehnungsbewegung mitmacht, dagegen bei unsymmetrischer
Stromverteilung, also ungleicher Ausdehnung der drei Körper, durch Abgleiten von
diesen Stützgliedern die Anzeige der Unsymmetrie oder die Auslösung eines Schaltvorganges,
z. B. das Ausschalten eines vorgeschalteten Selbstschalters, bewirkt.
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Gegenüber den. bekannten, auf Wärmewirkung beruhenden Unsymmetrieschutzvorrichtungen
hat-die nach der -Erfindung eine Reihe von Vorteilen. Sie benötigt als Auslöseglied
lediglich eine verhältnismäßig einfache, von einem der Ausdehnungskörper gesteuerte
Auslösevorrichtung, die durch ihr Abgleiten von den Stützgliedern zum Ansprechen
gebracht wird. Da hierbei die Reibung außerordentlich gering ist, ist die Ansprechgenauigkeit
sehr groß. Außerdem wird dadurch der Aufbau und die Eichung vereinfacht und verbilligt
gegenüber solchen Vorrichtungen, die mit zwei getrennten Auslösewellen oder =leisten
arbeiten. Ferner ist
es möglich, nach dieseln Prinzip dreipolige
L'nsvmmetrierelais zu bauen, bei denen die schädliche gegenseitige thermische und
mechanische Beeinflussung der drei Ausdehnungskörper auf ein Mindestmaß gebracht
wird, wobei gleichzeitig der Wattverbrauch sehr klein gehalten werden kann.
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Die Ausbildung der Erfindung illi einzelnen ist an einigele Ausführungsbeispielen
in den Abb. i bis i i dargestellt. Abb. i bis 3 zeigen eine der möglichen Ausführungsformen
in drei aufeinander senkrechten Ansichten, zum Teil im Schnitt. Auf einer Isoliergrundplatte
sind drei Zweimetallglieder 1, 2, 3 befestigt, die von den drei Phasenströmen einer
Drehstromanlage mittelbar oder unmittelbar beheizt «,-erden und z. B. zum L'nsvmmetrieschutz
eines Drehstroinmotors, -brelnsinagneten oder -schaltnlagneten, -generators, -transformators
oder sonstigen Verbrauchers bestimmt sind. Durch die Strohwärme biegen sie sich,
bezogen auf Abb,3, in der Pfeilrichtung aus. In der Nähe ihrer freien Enden haben
die Zweimetallglieder bei d. Ausschnitte, so daß Vorsprünge 5 entstehen. Auf dem
mittleren Zweimetallglied ist eine Auslöseplatte 6 so angeordnet, daß sie sich unter
dem Druck einer Feder io in der 1-ä ngsrichtung des Zweiinetallgliedes nach oben
verschieben kann, wenn ihre beiden Enden;, 8, die im kalten Zustand und bei gleicher
Ausdehnung der drei Zweimetallglieder von den Vorsprüngen 5 der beiden äußeren Zweiinetallglieder
1, 3 gesperrt gehalten werden, gleichzeitig freigegeben werden. Wird nur eines der
Enden freigegeben, was im allgemeinen der Fall ist, z. B. wie gestrichelt angedeutet
das Ende S, so führt die Auslöseplatte unter dein Druck der Feder io eine Kippbe-wegung
uni den anderen Vorsprung aus. Das Führungsloch 16 in der Auslöseplatte 6 ist an
den Seitenwänden 9 verrundet, um eine freie Kippbewegung zuzulassen. Die Vorrichtung
wirkt folgendermaßen: lin kalteil Zustande und bei gleicher Belastung, also auch
bei gleicher Ausbiegung der drei Zweirnetallglieder 1, 2, 3, bleiben die Enden 7,
8 der Auslöseplatte in der in Abb. i mit ausgezogenen Linien dargestellten Sperrlage.
Tritt dagegen im kalten Zustand oder bei einer beliebigen symmetrischen Vorbelastung
der drei Zweimetallglieder eine t'nsymmetrie, z. B, durch einen Erdschluß in der
rechten Phase, auf, so wird das Zweiinetallglied 3 stärker erwärmt als die beiden
anderen. Sobald es hierbei die in Abbi. 3 gestrichelt gezeichnete Stellung erreicht
hat, gibt sein Vorsprung 5 das Ende 8 der Auslöseplatte frei, und diese führt unter
dein Druck der Feder 1o eine Kippbewegung um den `Torsprung 5 des linken Zweimetallgliedes
r aus. Hierbei trifft die Auslöseplatte auf eine der schrägen Flächen 15 des um
die Achse 13 schwenkbaren Auslösehebels i i und öffnet den Auslösekontakt
17, über den z. 13. der Stromkreis der Auslösespule eine: Schalters oder
der Schaltspule eines Schützes geführt ist. Die Achse 13 ist an einem Lagerbügel
12 gelagert, der einen zweckmäßig einstellbaren Anschlagwinkel 14 trägt.
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Statt einen Kontakt zu betätigen, kann die Auslöseplatte auch eine
Anzeige- oder Alarmvorrichtung in Tätigkeit setzen oder unmittelbar mechanisch das
Schloß eines Selbstschalters auslösen. Gegebenenfalls können die Enden ; und 8 oder
die Vorsprünge 5 mit Einrichtungen versehen sein, um ihre gegenseitige Überdeckung
kleiner oder größer zu machen und so den L"nsyminetriegrad, bei dein die Vorrichtung
ansprechen soll, einstellbar zti machen.
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In ähnlicher Weise spricht die Vorrichtung an, wenn eines der beiden
anderen Zweimetallglieder vor den anderen voreilt oder hinter ihnen zurückbleibt,
z. B. beim Ausbleiben des Stromes einer Phase infolge Durchgehen s einer Sicherung
o. dgl. Wenn z. B. die illittlere Sicherung durchgegangen ist, so bleibt das Glied
2 gegenüber 1 und 3 zurück. Sollten hierbei die beiden Enden 7 und 8 gleichzeitig
freigegeben «-erden, so schnellt die Auslöseplatte parallel zu sich selbst nach
oben und betätigt so ebenfalls den Auslösellebel i i.
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Um nun auch, wie bei anderen thermischen L`nsyrnmetrieschutzeinrichtungen
bekannt, ein Ansprechen bei symmetrischer Cberlastung zu erzielen, kann man den
waagerechten Abstand zwischen der Auslöseplatte 6 und dein Auslösellebel 1 i so
wählen, daß bei Erreichung der höchst zugelassenen L'berlastungstemperatur des Zweimetallgliedes
2 die Auslöseplatte, die ja die gleichmäßige :@usbiegunr der drei Zweirnetallglieder
mitmacht, auf den Auslöseliebel i i stößt und dadurch den AuslÖsekOntakt 17 öffnet.
Bei dieser Betätigungsart der Auslösung wird also die Auslöseplatte 6 nicht entklinkt
wie bei der Unsynlnietrieauslösung. Daher kann man nach den] Ansprechen auf Grund
der Stellung der Auslöseplatte 6 erkennen, ob die Auslösung durch >ü nsvininetrie
oder durch symmetrische f`'berlastung verursacht ist.
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Man kann auch bei svlninetrischer t#berlastung ein Entklinken der
Auslösel)latt: erreichen, wenn man z. B. den Anschlag 14 so anordnet, daß das Zweimetallglied
2 oder eines der beiden anderen Zweiinetallglieder, die ja bei symmetrischer Belastung
alle die gleiche Ausbiegung aufweisen, bei Erreichung der L'b-erlastungsauslösetemperatur
durch den Anschlag 14 in seiner Bewegung gehemmt wird, so daß es hinter den beiden
anderen
Gliedern zurückbleibt und somit die Auslöseplatte 6 entklinkt;
die, wie oben beschrieben, die Auslösung bewirkt.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Abb.:I bis 7 dargestellt, und
zwar zeigt Abb. d. die Vorrichtung in der Ansicht. Abb. 5 das linke Zweimetallglied,
Abb. 6 das mittlere Zweimetallglied, von links gesehen, und Abb. 7 eine Draufsicht
auf die Auslöseplatte. Die drei Zweimetallglieder 2i, 22, 23 sind in ihrer durch
einen Pfeil angedeuteten Ausbiegungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Auslöseplatte
26 umgreift mit einer Ausnehmung 36 das Zweimetallglied 22, so daß sie dessen Ausbiegungsbewegung
mitmacht. Die Auslöseplatte steht unter dem Druck der Feder 30 und wird durch
die Vorsprünge 25 oberhalb der Ausklinkungen 2-@ bei gleicher Ausbiegung der drei
Glieder daclurch gesperrt gehalten, daß sich Vorsprünge 27 und 28, die in Ausnehmungen
37 der Auslöseplatte hineinragen, gegen die Vorsprünge 25 der beiden äußeren Zweimetallglieder
legen. Biegt sich, wie in Abb.7 dargestellt. eines der äußeren Zweimetallglieder
21, 23 oder beide stärker aus als das mittlere oder umgekehrt, so gleiten ihre Vorsprünge
25 über die Vorsprünge 27 oder 28 oder beide hinweg, und die Auslöseplatte führt
eine Kipp- oder parallele Hubbewegung aus, die die Auslösung herbeiführt. Zur Auslösung
bei symmetrischer Überlastung kann ein Anschlag 34 vorgesehen sein, der zwecks Einstellung
der Überstromauslösestärke verstellt werden kann und in seiner Wirkung dem Anschlag
14 der Abb. 2 entspricht.
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In dem Ausführungsbeispiel, das in
[email protected] und 9 in zwei senkrecht
aufeinander stehenden Ansichten dargestellt ist, wobei in Äbb. 8 die Gehäusegrundplatte
abgenommen ist, sind drei U-förmig gebogene Zweimetallglieder 41, 4.2; .43 im Kreis
angeordnet. In der Mitte ist eine um den Mittelpunkt drehbare Auslöseplatte 4.6
angeordnet, deren mittlerer erhöhter Teil zwei Vorsprünge .49 trägt, in die das
freie Ende des Zweimetallgliedes 4.2 so eingreift, daß die Auslöseplatte durch dessen
Ausbiegung in der Pfeilrichtung gedreht wird. Die freien Enden der beiden anderen
Zweimetallglieder liegen auf Vorsprüngen 47, 4.8 der Auslöseplatte auf, die unter
dem Druck einer Feder 5o steht.
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Bei unsymmetrischer Belastung gleitet eines der Zweimetallglieder
41, .43 von dem zugehörigen Vorsprung 4.7, .48 ab, und .die Auslöseplatte kippt
um das freie Ende des anderen Zweimetallgliedes. Dadurch wird der mit der Auslöseplatte
verbundene Auslösekontakt 57 geöffnet. Durch einen einstellbaren Exzenteranschlag
5.4 kann die Auslösung bei symmetrischer Überlastung bewirkt «-erden. Durch Drücken
auf den Isolierstift 59 wird die Auslöseplatte wieder verklinkt. Die Vorrichtung
ist in ein Gehäuse 58 eingeschlossen, das zweckmäßig aus wärmeisolierendem Stoff
besteht und die Vorrichtung eng umschließt, um die Abkiihlungsverluste gering zu
halten und durch die gegenseitige Beheizung der Zweimetallglieder deren Wattverbrauch
klein und ihre Maße möglichst groß halten zu können. Dadurch wird auch ihre Wärmezeitkonstante
der des Schützlings besser angepaßt und ihre Kurzschlußfestigkeit gesteigert.
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Eine ähnliche Ausführungsfarm zeigen Abb. io und ii. Drei Zweimetallglieder
61, 62, 63 sind im Stern angeordnet und in ein Gehäuse 78 mit Zwischenwänden ioo
in Sternform eingeschlossen. Das Zweimetallglied 62 steuert durch Eingriff in die
Vorsprünge 69 die Auslöseplätte 66, die unter dem Druck der Feder 70 steht.
Nach der Auslösung durch Abgleiten der' Bimetallenden von den Vorsprüngen 67, 68
kann die Auslöseplatte durch Ziehen des Knopfes 79 wieder in die verklinkte Stellung
zuriiclcgeführt werden.. Diese Rückführbewewing kann auch selbsttätig bewirkt werden,
z. B. durch Kupplung des Knopfes 79 mit dem ausgelösten Schalter oder Schütz in
der «reise, daß durch die Ausschaltbewegung des Schalters der Knopf so bewegt wird,
daß er die Rückführung der Auslöseplatte bewirkt.
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Um die Vorrichtung zum Anbau an Schalter, Schütze o. dgl. leicht auswechselbar
zu machen, können die Zweimetallglieder in an sich bekannter Weise mit aus dem Gehäuse
herausragenden Steckerstiften 8o elektrisch verbunden sein, die in entsprechende
Steckerhuchsen der Schaltergrundplatte passen- An Stelle der Steckerstifte können
auch Anschlußkontakte ähnlich denen der Verstärkerröhrensockel vorgesehen sein.
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Um eine Kompensation des Einflusses der Raumtemperatur auf die Auslösetemperatur
und damit den Auslöseüberstrom bei syminetrischer Überlastung zu erzielen, kann
nach Abb. io als Träger des Anschlages 84 ein Kompensationszweimetallglied 89 vorgesehen
sein, das nicht strombeheizt, sondern der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Es
wird zweckmäßig in einem konzentrischen Bogen an der Außenseite des zvlindrischen
Gehäuses angeordnet.
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Verwendet man statt der geradlinigen Bimetallstreifen nach Abb. io
und i1 U-förmig gebogene, so läßt sich die Bauhöhe des Gehäuses 78 erheblich vermindern
und ein besonders gedrängter Watt- und raumsparender Zusammenbäu erzielen. Die durch
den engen Zusammenbau eintretende gegenseitige Beheizung ist nicht, wie bei den
bisher bekannten
Unsymnietrie- und C`berlastungsauslöseyorrichtungen,
schädlich, und es ist daher nicht unbedingt erforderlich, wie bei diesen bekannten
Vorrichtungen, die drei Zweiinetallglieder in thermisch getrennten Kaminern unterzubringen,
weil andernfalls die Auslösestromstärke infolge der gegenseitigen Beheizung bei
ein- und zweiphasiger überlastung höher ist als bei dreiphasiger. Diese Erscheinung
ist darauf zurückzuführen, dafi bei den bekannten Auslösevorrichtungen alle drei
Zweimetallglieder die Überlastungsauslösung bewirken, während nach der Erfindung
lediglich eines dieser Glieder die Überlastungsauslösungherbeiführt und die Uns_vinmetrieauslösung
hiervon unabhängig ist.
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Die Unsvmmetricauslösung erfolgt also sehr viel schneller und bei
geringeren Temperaturen der Zweimetallglieder, also auch der Wicklungen des Schützlings,
als die Auslösung bei symmetrischer Überlastung. Bei Drehstrommotoren mit Sterndreieckanlauf,
bei denen man bisher zum vollständigen Schutz des Motors gegen ErdschluB, Einphasenlauf
und symmetrische Überlastung sowohl in der Stern- als auch in der Dreieckstellung
sechs Zweimetallglieder als Überstromauslöser benötigte, kommt man finit einer dreipoligen
Vorrichtung nach der Erfindung und einem einzigen zusätzlichen Zweimetallglied aus.
Die Vorrichtung nach der Erfindung übernimmt dabei den Schutz in Stern- und in Dreieckschaltung
gegen Erdschluß und Einphasenlauf sowie den symmetrischen Überstromschutz in der
Dreieckschaltung. Das vierte Zweimetallglied überwacht den Motor in der Sternschaltung
gegen symmetrische Überlastung und ist demgemäß auf den Betriebsstrom des Motors
in Sternschaltung eingestellt: es wirkt auf dieselbe oder auf eine andere Auslösevorrichtung
wie die dreipolige Vorrichtung.
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Man kann ferner in einfacher Weise der l.`berstromauslösung eine zusätzliche
Verzögerung z. B. zum Anlassen schwer anlaufender Motoren verleihen. Zu diesem Zweck
wird die Stellung des Anschlages 14 bzw. 84, also die Auslösetemperatur bei symmetrischer
Überlastung, von einem zusätzlichen. nicht strombeheizten Ausdehnungskörper abhängig
gemacht und die Anordnung so getroffen, daß dieser zusätzliche Ausdehnungskörper,
wenn er kalt ist, den Anschlag in grölierer Entfernung von dem auslösenden Ausdehnungskörper
hält, als wenn er infolge der mittelbaren Beheizung durch die strombeheizten Ausdehnungskörper
warm geworden ist.
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Zu diesem Zweck kann z. B. ein Zweimetallglied ähnlich dem Kompensationsstreiten
89 der Abb. io in das Innere des Gehäuses verlegt «-erden, das den Anschlag
84 für die symmetrische Auslösung steuert. Der Zweimetallstreifen 89 mini jedoch
in diesem Falle so angeordnet sein, daß er sich bei Erwärmung in umgekehrter Richtung
ausbiegt wie bz i seiner `erwendung als kompensationsglied. Der Anschlag 84 mini
sich nämlich bei der Verwendung als Kompensationsstreifen bei Erwärmung nach außen
bewegen, in dein vorliegenden Falle jedoch nach innen. Beim Einschalten des Motors
sind die drei Zweiinetallglieder 61, 62, 63 noch kalt oder wenigstens kälter als
bei Dauerbetrieb des Motors. Der Zayeimetallstreifen im Inneren des Gehäuses ist
daher verhältnismäßig kalt, und der Auslöseweg, den das Zweimetallglied 02 bis zum
Auftreffen auf den Anschlag 3.1 zurückzulegen hat, ist daher verhältnismäßig lang.
Der Motor kann also trotz eines verhältnismäßig hohen und lange andauernden Anlaufstromes
angelassen werden, ohne daß die Vorrichtung auslöst. Im Dauerbetrieb dagegen nimmt
der Zweimetallstreifen #;y infolge seiner mittelbaren Beheizung durch die drei strombeheizten
Zweimetallglieder eine höhere Temperatur an und bringt durch seine Atisbiegung den
Anschlag ö4 näher an das Zweimetallglied 62, so daß die Auslösung ini Dauerbetrieb
bei entsprechend geringerer Temperatur der drei strombeheizten Zweimetallglieder
erfolgt. Die zur Erzielung dieser Temperatur erforderliche Auslösestromstärke ist
zweckmäßig der Gefahrentemperatur des :Motors nach Möglichkeit angepaßt. Diese Anordnung
zur Erzielung einer zusätzlichen Verzögerung für den Anlauf schwer anlaufender Motoren
ist nicht nur für die beschriebenen Vorrichtungen mit Unsymmetrieauslösung neu und
mit Vorteil verwendbar, sondern auch für die üblichen dreipoligen Ü berstromwärmerelais
und -auslöser mit Ausdehnungskörpern ohne Unsymmetrieauslösung.
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Als Ausdehnungskörper können alle Körper dienen, die unter dein Einfluh
eines sie durchfließenden oder sie mittelbar beheizenden Stromes eine Formänderung
erleiden, also auch Hitzdrähte, -bänder, -stäbe, thermische Röhren, Dosen usw. Die
Vorrichtung nach der Erfindung ist auch zum Anschluß an Stromwandler und Nebenschlüsse
geeignet.
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Die Käpselung der Ausdehnungskörper in einem zylindrischen Gehäuse
finit in Sternform angeordneten Zwischenwänden hat vor den bekannten Kapselungen
mit drei nebeneinanderliegenden Kammern den Vorteil, dali in bezug auf die gegenseitige
Beheizung alle drei Kammern gleichberechtigt sind, während bei den bekannten der
mittlere Ausdehnungskörper von beiden Seiten beheizt und daher am «-ärmsten wird.
Das
Gehäuse braucht jedoch nicht zylindrisch zu sein. Wesentlich ist vielmehr allein,
daß die gegenseitige Beeinflussung der drei Ausdehnungskörper durch Wärmeleitung,
Strahlung, Konvektion usw. möglichst für alle drei gleich groß ist und daß auch
der Wärmeaustausch mit dem außerhalb des Gehäuses liegenden Raum für alle drei Ausdehnungskörper
möglichst gleich ist. Dann wird die größte Ansprechgenauigkeit erzielt. Wenn man
in an sich bekannter Weise Zwischenwände verwendet, die das gemeinsame Gehäuse in
Einzelkammern unterteilen, so wird zweckmäßig die Anordnung der Kammern und derAusdehnungskörper
indenKammern so getroffen, daß einerseits der Wärmeausgleich zwischen den Kammern
untereinander und andererseits der Wärmeausgleich zwischen jeder einzelnen Kammer
und dem außerhalb des Gehäuses liegenden Raum für alle drei Kammern der gleiche
ist. Hierzu werden, wie beispielsweise in Abb. io und ii dargestellt, die drei Kammern
für die Ausdehnungskörper unter sich gleich ausgebildet und um die Mittelachse des
Gehäuses in regelmäßiger Form, z. B. in der Form eines Sternes, Kreises, Dreiecks,
Sechsecks oder Vielecks, angeordnet. Das .gemeinsame Gehäuse erhält die Form eines
Prismas oder Zylinders mit dem entsprechenden Querschnitt. Diese Gehäuse- bzw. Kammerausbildung
ist naturgemäß nicht nur für Unsymmetrieauslösevorrichtungen vorteilhaft, sondern,
auch für dreipolige Überstromauslösevorrichtungen ohne Unsymmetrieauslösung, bei
denen in bekannter Weise je nach der Überlastungsart ein, zwei oder alle drei Ausdehnungskörper
die Auslösung bewirken. Denn durch die Zwischenwände ist die gegenseitige Beheizung
stark verringert, und jeder der Ausdehnungskörper dehnt sich bei gleichem Strom
ebenso aus wie der andere, was bei nebeneinanderliegenden Kammern infolge des verschiedenen
Wärmeausgleiches nicht der Fall ist.
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Das gemeinsame Gehäuse kann auch z. B. in Form einer Halbkugel, Kugelschale
oder ähnlicher Form mit-kleiner spezifischer Oberfläche gehalten sein, deren Innenraum
durch drei im Stern angeordnete, gegebenenfalls in der Mitte zusammenstoßende Wände
in drei gleiche Kammern geteilt ist. In diesen können die drei Zweimetallglieder
mit einer der Kugelschale entsprechenden Krümmung und gegebenenfalls nach dem Inneren
zu sich verjüngender Breite angeordnet sein und auf eine gemeinsame, in der Achse
der Kugelschale angeordnete Auslösestange wirken, die z. B. in einem aus den drei
zusammenstoßenden Zwischenwänden gebildeten Rohr geführt sein kann. Die Wärme wird
bei einer solchen Gehäuseform infolge ihres kleinen Verhältnisses von Oberfläche
zu Inhalt besonders gut zusammengehalten und zur Heizung. der Ausdehnungskörper
ausgenutzt.