Beschreibung

Verfahren zur Erweiterung des Einstellbereiches von überlastschutzeinrichtungen, zugehörige überlastschutzeinrichtungen und deren Verwendung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erweiterung des Einstellbereiches einer thermomechanisehen überlastschutzeinrichtung, bei der ein Stromeinstellwert durch den Anwender vorgegeben werden kann und bei welcher eine definierte Auslösecharakteristik (Strom-Zeit-Auslösekurve) der Schutzeinrichtung erreicht werden soll. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine zugehörige thermomechanische überlastschutzeinrichtungen und deren Verwendung.

Zum Schutz von elektrischen Anlagen und Verbrauchern, z. B. von Motoren, gegen unzulässig hohe Betriebsströme werden überlastrelais oder überlastauslöser eingesetzt. Nichtelektronische überlastrelais oder überlastauslöser enthalten thermische Auslöseorgane, beispielsweise Bimetalle, Schnappscheiben oder dergleichen, und betätigen - entsprechend einer Strom-Zeit-Auslösekennlinie - einen Mechanismus, welcher bei zu hohen Betriebsströmen für eine Ausschaltung des betroffenen Stromzweiges sorgt. Dieser Mechanismus ist insbesondere eine Schaltschlossentriegelung, ein Steuerschaltkontakt oder ein Signalmelder. Der Mechanismus enthält weitere Elemente zur Einstellung der überlastauslösung auf einen Betriebsstromwert innerhalb des Stromeinstellbereiches. Um den Ein- fluss der Umgebungstemperatur auf die überlastauslösung zu eliminieren enthält der Mechanismus im Allgemeinen zusätzliche Elemente zur Temperaturkompensation.

Aus der US 2 629 796 A ist eine Einstelleinrichtung für ein Schaltgerät bekannt, die ein U-förmiges Bimetall mit parallel geschaltetem Shunt enthält. Der Shunt verbindet an unterschiedlicher, aber durch Schweißverbindung fest eingestellter Position die beiden Schenkel des Bimetalls. Dadurch ist das Bimetall nur auf der vorgegebenen Teillänge stromdurchflos-

sen, was zur Festlegung des Auslösestrombereiches verwendet wird. Die Bemessung, d.h. die Positionierung des Auslösestrombereiches des überlastauslösers, erfolgt durch die Querschnittsgröße des Heizwiderstandes, der zum Bimetall elek- trisch parallel geschaltet ist und dieses heizt. In dieser Ausgestaltung des überlastauslösers kann sein Arbeitsbereich innerhalb eines Strombereiches von 10 bis 200A platziert werden. Es können also feste Einstellbereiche zwischen 10 und 200 A fertigungstechnisch einfach realisiert werden.

Weiterhin ist aus der DE 19 516 723 C2 eine einstellbare thermomagnetische Auslöseeinrichtung aus Bimetall und erstem (Bimetall-) Shunt, wobei diese einen Klappankermagnetauslöser erregen und einem zweiten Shunt, der dem Bimetall und dem ersten Shunt parallel geschaltet ist, bekannt. Der zweite Shunt dient zur Einstellung des Auslösewertes.

Schließlich ist aus der deutschen Patentschrift Nr. 473 338 bereits ein magnetisch-thermischer überstromschalter bekannt, bei dem Kontaktmittel vorgesehen sind, mit denen diskrete Werte der Ansprechempfindlichkeit vorgebbar sind.

Zur Anpassung derzeit bekannter überlastschutzeinrichtungen an den jeweiligen, regulären Betriebsstrom können bekannte Einrichtungen in einem vorgegebenen Einstellbereich, zwischen einem unteren Einstellstrom I _u . und einem oberen Einstellstrom I ₀ ., auf den gewünschten Betriebsstrom I _r eingestellt werden. Der typische Einstellbereich, d.h. der so genannte Standardeinstellbereich, überstreicht bisher nur das 1,4- bis l,βfache des unteren Einstellstromes I _u . Entsprechend eng gestaffelt sind die Gerätereihen thermischer überlastrelais und von Leistungsschaltern ausgeführt, um z. B. mit 12 Einsteilbereichstypen einen Strombereich von 1,8 A bis 25 A abzudecken.

Zur Reduzierung der Typenvielfalt ist es wünschenswert, den Stromeinstellbereich thermomechanischer überlastschutzeinrichtungen auf mindestens I ₀ . = 2 * I _u . zu erweitern. Eine

einfache, höhere Strombelastung der thermischen Auslöseorgane zur Erweiterung des Einstellbereiches scheidet aber wegen der i ² -proportionalen Widerstandsheizung und der damit verbundenen Temperaturerhöhung aus.

Beim Stand der Technik wird daher der Weiteinstellbereich von überlastschutzeinrichtungen durchweg durch elektronische überlastrelais oder elektronische überlastauslöser realisiert. Hierzu wird der überlaststrom durch Stromwandler er- fasst und mit einer elektronisch abgebildeten Strom-Zeit-Auslösekennlinie ein Auslösesignal generiert. Ein Vorteil dieser elektronischen Lösung ist, dass die , Heizung', d.h. die elektrische Verlustleistung der überlastschutzeinrichtung, nicht von ihrem Stromeinstellwert abhängt, wenn man von nicht funk- tionsgebundener Verlustleistung an elektrischen Leitungswiderständen in der Schutzeinrichtung absieht.

Nachteilig sind allerdings u. a. die erhöhten Kosten durch Stromwandler und Elektronik, sowie die Nichteignung zur über- wachung von Gleichströmen oder Gleichstromkomponenten. Zur

Realisierung des Weiteinstellbereiches von überlastschutzeinrichtungen werden einfache Lösungen benötigt, die im Bereich kleinerer Nennströme (z. B. ≤ 40 A) kostengünstig herstellbar sind und gegenüber der heutigen Typenvielfalt für Hersteller und Anwender wirtschaftliche Vorteile bieten.

Ausgehend von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine technische Lösung anzugeben, die den Betrieb des thermischen Auslöseorgans im spezifizierten Arbeitsbe- reich zulässt, wobei die Strom-Zeit-Auslösekennlinie des

Standardeinstellbereiches bisheriger thermischer Auslöser erhalten bleibt, der vorgegebene Stromeinstellbereich jedoch in der gewünschten Weise erweitert ist, und zugehörige überlastschutzeinrichtungen zu schaffen. Dabei soll eine Erhöhung der Verlustleistung bei allen Betriebsarten der überlastschutzeinrichtung wirksam begrenzt oder vermieden werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, immer eine defi-

nierte Strom-Zeit-Auslösekennlinie für den Auslöser zu realisieren. Schließlich soll auch die Abstimmung des Ansprechwertes des Kurzschlussschnellauslöser in Abhängigkeit des Einstellwerts des oben beschriebenen überlastauslösers verbes- sert werden.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Insbesondere die Ansprüche 12 und 13 geben alterna- tive Verfahrensführungen für einen überlastschutz an. Eine zugehörige überlastschutzeinrichtung ist Gegenstand des Patentanspruches 17. Weiterbildungen des Verfahrens, der zugehörigen überlastschutzeinrichtungen sowie deren Verwendungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung können also aus dem vorgegebenen Weiteinstellbereich durch die elektrischen Kontaktmittel bestimmte Einstellbereiche mit elektrischen Widerständen und/oder definierten Wärmeflüssen zu- bzw. abgeschaltet werden. Gegebenen- falls können durch zusätzliche Einstellmittel konkrete Stromeinstellwerte fixiert werden.

Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren von Komponenten vorgegebenen elektrischen Widerstandes zum Stromführen und zugehörigen Kontaktmitteln Gebrauch gemacht. Die Kontaktmittel können entweder montierbar oder aber schaltbar ausgelegt sein. Durch den Einsatz der Kontaktmittel kann der Weiteinstellbereich in einen ersten Einstellbereich mit unteren und oberen Grenzwerten und in einen anderen, zweiten Ein- Stellbereich mit anderen unteren und oberen Grenzwerten aufgeteilt werden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich insbesondere zwei unterschiedliche Einstellbereiche vorwählen. Diese Einstellbereiche können durch eine Lücke getrennt sein, sich überlappen oder auch sich vorteilhafterweise unmittelbar aneinander anschließen, womit ein sog. Weiteinstellbereich definiert ist.

Mit der Erfindung kann also vom Anwender des Schaltgerätes der geeignete Einstellbereich nach jeweiligem Bedarf vorgewählt werden. Damit ist mit einfachsten technischen Mitteln der Weiteinstellbereich, der den interessierenden Betriebsstrombereich abdeckt, gewissermaßen virtuell geschaffen. Insgesamt ergibt sich dadurch in vorteilhafter Weise, dass vom Schaltgerätehersteller und vom Anwender weniger unterschiedliche Gerätetypen vorgehalten werden müssen.

Bei der Erfindung werden zur Realisierung des Weiteinstellbereiches von nichtelektronischen überlastschutzeinrichtungen thermische Auslöseorgane eingesetzt, denen erfindungsgemäß stromführende Komponenten zugeschaltet werden können. Die Schalthandlung kann dabei im Einzelnen durch mechanisch bedienbare Schaltkontakte oder durch mechanisch montierbare Kontaktelemente erfolgen. Der konzeptionelle Unterschied liegt in der jederzeitigen Schaltbereitschaft mittels bedienbarem Schaltkontakt, während des Betriebs der überlastschutz- einrichtung und des von ihr überwachten Schaltgerätes, gegenüber einer zwangsgesteuerten Außerbetriebnahme der überlastschutzeinrichtung und des überwachten Schaltgerätes bei der Ummontage des montierbaren Kontaktelementes zur Auswahl des Einstellbereiches .

Oben genannte Vorteile lassen sich durch zwei unterschiedliche Aufbauarten (Prinzipien) erfüllen. Gemeinsam ist beiden Aufbauarten, dass die Heizleistung für das Bimetall in allen Einstellbereichen eines Weiteinstellbereiches zum selben, re- lativen Betriebsstrom I _r ,rei den selben Wert hat.

Hierzu wird parallel zum Strompfad des Bimetalls, welcher zusätzlich einen so genannten Heizleiter enthalten kann, ein paralleler Strompfad, der zumindest eine Schalteinrichtung enthält, installiert. Bei geschlossenem Schalter im Parallelzweig fließt infolge zusätzlicher Shunts und/oder der Leitungswiderstände ein definierter Anteil des Gesamtstroms durch den Parallelzweig.

Durch das Offnen/Schließen des Parallelzweigs entstehen zwei Einstellbereiche zwischen dem unteren Einstellstrom I _ul des unteren Bereiches und dem oberen Einstellstrom I ₀₂ des oberen Bereiches. Im geöffneten Zustand des Schalters verbleibt unverändert der (untere) Bereich von I _ui bis I _o i, wobei gilt I _o i ~ 1.4 I _u i bis 1.6 I _u i- Wird der Schalter geschlossen gilt für den oberen Bereich vorzugsweise I _u2 « I _o i und I ₀₂ ~ (1.4 ² bis 1.6 ² )I _u i- Somit wird ein linear einstellbarer Weitein- Stellbereich von I _u i bis I _O2 bzw. ein oberer Einstellfaktor 1.4 ² bis 1.6 ² = 1.96 bis 2.56 erreicht.

In einer ersten Aufbauart (Prinzip der Widerstandsanpassung) wird die Impedanz des Parallelzweigs so abgestimmt, dass die- ser den relativen Stromanteil (I _u2 - I _u i) /I _u i des Betriebsstromes I _r bei eingeschaltetem, oberen Einstellbereich tragt. Das Bimetall wird nur durch den relativen Stromanteil I _u i/Iui geheizt. Durch diese unveränderte Heizung des Bimetalls im unteren und im oberen Einstellbereich bleibt die Auslosecharak- teristik der Uberlastschutzeinrichtung unverändert erhalten. Dies wird weiter unten anhand von Figur 1 verdeutlicht.

Im Rahmen der Erfindung kann letzteres Prinzip, insbesondere für mehrphasige Gerate, erweitert werden, indem a) die Strom- bzw. Einstellbereiche jederzeit und mehrmalig, also auch während des laufenden Betriebs um- bzw. eingestellt werden können, b) mehrere parallele Zweige stufenweise mit einem Umschalter zugeschaltet werden können, wodurch sich der Einstellbe- reich pro Stufe um eine Potenz erhöht (Stufe 1: Quadrat des unteren Einstellbereichs, Stufe 2: 3. Potenz des unteren Einstellbereichs usw.), c) die Temperaturkompensation für alle Phasen einheitlich an einer zentralen Stelle erfolgt, d) ein zentraler Mechanismus existiert, der die Kontaktmittel der Parallelpfade in allen Phasen gleichzeitig betätigt, e) die grundlegende Auslosemechanik (Bimetall, Heizleiter, mechanische Ankopplung Bimetall zu Ausloseor-

gan/Schaltschloss) , einschließlich der Schutzes vor Phasenunsymmetrie bzw. Phasenausfall unverändert erhalten bleibt, f) das der Parallelpfad, einschließlich der Kontaktmittel und der Strombahnwiderstände, modular an das Gerät ansteckbar sind, ohne das Grundgerät wesentlich zu verändern.

Diese Aufbauart ist somit für ein- und mehrpolige überlastschutzeinrichtungen einsetzbar. Zu berücksichtigen ist bei dieser Aufbauart allerdings, dass im oberen Einstellbereich durch den Stromfluss eine zusätzliche Verlustleistung im Parallelstromzweig entsteht. Diese Verlustleistung wird durch geeignete thermische Isolation vom Bimetall ferngehalten.

In einer zweiten Aufbauart (Prinzip der Leistungsanpassung) wird der Nachteil einer zusätzlichen Verlustleistung vermieden. Die im Parallelzweig entstehende Verlustleistung wird idealerweise zu 100% auf das Bimetall eingekoppelt. Hierzu wird die Impedanz des Parallelzweiges so bemessen, dass bei eingeschaltetem Parallelzweig die Summe der Verlustleistungen durch den Bimetallzweig und den Parallelzweig im oberen Einstellbereich gleich der Verlustleistung des Bimetallzweigs bei geöffnetem Parallelzweig im unteren Einstellbereich ist.

Um die Verlustleistung des Parallelzweigs in das Bimetall einzuspeisen ist eine enge räumliche Verbindung des Shunts im Parallelzweig mit dem Bimetall erforderlich. Hierzu wird der Shunt entweder als Heizwicklung oder indirekte Heizung thermisch mit dem Bimetall verbunden.

Auch bei dieser Aufbauart bleiben oben genannte zusätzliche Eigenschaften a) - e) erhalten. Lediglich das Bimetall mit dem nun zusätzlichen Shunt ist zu verändern.

In einer Variante der zweiten Aufbauart wird die Aufteilung des als Weiteinstellbereich vorgegebenen Stromeinstellbereiches nicht durch einen zuschaltbaren Parallelstromzweig realisiert, sondern durch einen elektrisch in Reihe schaltbaren,

zusatzlichen Heizleiter. Der zusatzliche Heizleiter ist an den Uberlastausloser derart thermisch gekoppelt, dass seine Heizleistung im Wesentlichen vollständig an den thermomecha- nischen Aktor übertragen wird. Bei der Reihenschaltung des zusatzlichen Heizleiters wird der untere Bereich des Weiteinstellbereiches eingeschaltet. Der Widerstand des zusatzlichen Heizleiters ist so bemessen, dass die Heizleistung beider Heizleiter bei einem Betriebsstrom des unteren Einstellbereiches (Index 1) den gleichen Wert hat, wie bei abgeschaltetem Reihenstromzweig die Heizleistung bei einem um den Stromfaktor (= I _U2 /I _u i) erhöhten Betriebsstrom des oberen Einstellbereiches (Index 2). Durch weitere elektrisch in Reihe zuschaltbare Heizleiter kann der vorgegebene Stromeinstellbereich in weitere Einstellbereiche aufgeteilt werden. Dadurch wird ein Weiteinsteilbereich geschaffen, der zu kleineren

Einstellstromen erweitert ist. Bei einstufiger Reihenschaltung überstreicht der Weiteinstellbereich typisch Einstellstrome I _r = I _u bis I _u *l,5 ² (=I _O ) , bei mehrstufiger (=n) Reihenschaltung I _r = I _u bis I _u *l,5 ⁿ⁺¹ (=I _O ) • Ist für den Weitein- Stellbereich der obere Grenzwert des Einstellstromes fest vorgegeben, so erhalt man zum Stromfaktor 1,5 den unteren Grenzwert der n-stufigen Reihenschaltung I _u = I _o /l, 5 ⁿ⁺¹ .

Eine weitere Maßnahme im Rahmen der Erfindung ist die Reali- sierung einer definierten Strom-Zeit-Auslosekennlinie . Diese wird thermisch durch die Wärmeleitfähigkeit, vor allem bei geringen Uberlaststromen, und durch die Wärmekapazität, vor allem bei hohen überlaststromen, sowohl der aktiven Elemente, d.h. der Strombahnen, des Bimetalls und u. U. der Heizleiter bzw. des Kontaktelements, als auch der passiven Bauteile, wie Befestigungen, Gehäuse, umgebende Luft, beeinflusst.

Im Rahmen der Erfindung wird dieses Problem in Abhängigkeit der oben genannten Aufbauarten wie folgt gelost: Beim Prinzip der Widerstandsanpassung, d.h. ohne Einkopplung der Verlustleistung des Parallelzweiges in das Bimetall, erfolgt die Platzierung der Bauteile des Parallelzweigs, d.h. Kontaktmittel und Shunts thermisch isoliert in separaten Räumen des Ge-

räts oder in speziellen ansteckbaren Modulen. Beim Prinzip der Leistungsanpassung, d.h. mit annähernd vollständiger Ein- kopplung der Verlustleistung des Parallelzweiges in das Bimetall, erfolgt eine thermisch innige Verbindung des Shunts im Parallelzweig mit dem Bimetall. Da eine Kurzschlussstrombelastung des Shunts immer geringer ist als die des Bimetallzweigs bei ausgeschaltetem Parallelzweig, u. U. zuzüglich eines optional enthaltenen Heizleiters, kann der Shunt in seinen geometrischen Abmessungen entsprechend klein ausgelegt werden, was erheblich die Wärmekapazität senkt. Hierbei ist es vorteilhaft Materialien zu nutzen, die einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen. Vorzugsweise kommen hierfür CuNi- oder CrAl-Legierungen zum Einsatz.

Ein weiteres Merkmal dieser Anordnung ist ein möglichst geringer Widerstand der/des Kontaktmittel (s) . Besonders geeignet sind großflächige Kontakte mit großen Kontaktkräften, wie z. B. Steckkontakte (Bananenstecker, Lyra- bzw. Messerkontakte) , bzw. Kontakte mit speziellen niederohmigen Kontaktmate- rialien, beispielsweise Silber (Ag) -Legierungen, beispielsweise AgNi oder Feinkornsilber, oder Silber (Ag) -Verbundwerkstoffe, beispielsweise Ag-Metalloxide .

Mit der Erfindung wird schließlich die Abstimmung des An- sprechwertes des Kurzschlussschnellauslösers in Abhängigkeit des Einstellwertes des oben beschriebenen überlastauslösers verbessert .

Von Leistungsschaltern ist bekannt, durch Einstellung des ü- berlastauslösers gleichzeitig den Kurzschlussschnellauslöser mit zu verstellen. Damit erreicht man, dass der Kurzschlussschnellauslöser zu einem bestimmten, aber festgelegten Vielfachen des einstellbaren Betriebsstroms aktiv wird (Ansprechstrom) .

Insbesondere bei Motorschutzschaltern erfolgt im Allgemeinen keine Einstellung des Ansprechwertes des Kurzschlussschnellauslösers, da diese Geräte nach dem Stand der Technik nur in

einem geringen Stromeinstellbereich betrieben werden. Der Ansprechwert beträgt dann ein definiertes Vielfaches (typisch 8- bis 15-fach) des obersten Einstellwertes I ₀ .

Durch die Einführung eines Weiteinstellbereichs mit einem deutlich größeren Unterschied zwischen I _u und I ₀ ist die Ansprechzeit des Kurzschlussschnellauslösers so stark gespreizt, dass Betriebsmittel bei Kurzschluss und unterem Einstellstrom I _u nicht mehr ausreichend geschützt werden. Im Rahmen der Erfindung kann dieses Problem zum Beispiel durch eine Teilanzapfung des Kurzschlussschnellauslösers gelöst werden. Dabei wird der oben beschriebene zuschaltbare Parallelzweig in der Weise elektrisch mit der Spule des Kurzschlussschnellauslösers verbunden, dass die Amperewindungs- zahl pro Einstellbereich, also mit oder ohne zugeschalteten

Parallelzweig, konstant bleibt. Somit erreicht man zugeordnet zum eingeschalteten Einstellbereich für den Ansprechwert des Kurzschlussschnellauslösers ein jeweils gleich bleibendes Vielfaches des oberen Einstellwertes I ₀ .

Die Anpassung der Magnetauslösung kann bei der Erfindung auf vier verschiedene Arten durchgeführt werden:

1. Eine Parallelschaltung eines Entlastungsstromzweiges kann zur Magnetspule führen. Bei einem Stromfaktor 1,5 wird der relative Stromanteil 0,5 über den Entlastungsstromzweig geführt, während die Magnetspule den relativen Stromanteil 1 trägt .

2. Es kann eine Anpassung des Proportionalitätsfaktors der Beziehung Magnetkraft- (Strom) * (Strom) vorgenommen werden. Dies kann bei einer Magnetspule durch Anzapfung an der Wicklung erfolgen, derart dass zu dem Stromfaktor von beispielsweise 1,5 die gesamte magnetische Erregung der Wicklung dem relativen Stromanteil 1 entspricht. Mit anderen Worten die

Amperewindungszahl bei ausgeschalteter Anzapfung zum Relativstrom 1 ist gleich groß wie die Amperewindungszahl bei eingeschalteter Anzapfung zum Relativstrom 1,5. Dazu kann ein vor-

gegebener Teil der Wicklung überbrückt und damit magnetisch unwirksam gemacht werden. Statt einer Teilüberbrückung kann durch Anzapfung der Wicklung ein Teilstrom abgleitet werden, derart dass zum Relativstrom 1,5 die gesamte magnetische Er- regung der Wicklung wiederum dem relativen Stromanteil 1 entspricht .

3. Der Proportionalitätsfaktor kann statt durch die Amperewindungszahl auch durch die Luftspaltweite zwischen dem be- weglichen Magnetanker und dem magnetischen Gegenpol angepasst werden. Diese wird zu einer Erhöhung des Ansprechstromes von 1 auf 1,5 in relativen Einheiten ebenfalls um den Faktor 1,5 erhöht .

4. Es erfolgt die Anpassung der Fesselungskraft des Magnetankers. Für eine Schließbewegung und die damit verbundene Auslösung muss der Magnetanker die Fesselungskraft überwinden. Die Fesselungskraft wird meist durch ein Federelement erzeugt. Die Federkraft ist durch das Produkt aus Federkonstan- te und Federweg bestimmt. Durch Vergrößern des Federweges um den Faktor 1,5*1,5 wird die Vergrößerung der Magnetkraft beim Stromfaktor 1,5 kompensiert.

Die Einstellung der Magnetauslösung vom unteren Stromein- Stellbereich auf den oberen Stromeinstellbereich des sog. Weiteinstellbereiches erfolgt mit den gleichen Kontaktmitteln, wie für die überlastauslösung. Zusätzlich oder alternativ können mechanische Elemente zur Einstellung der Luftspaltweite oder des Federweges mit den Kontaktmitteln gekop- pelt sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- Sprüchen.

Im Einzelnen zeigen die Figuren jeweils in schematischer Darstellung:

Figur 1 einen Aufbau für einen überlastauslöser mit Parallelzweig und thermischer Entkopplung,

Figur 2 einen Bimetallauslöser mit Parallelstromzweig, Figur 3 eine Ausführungsform nach Figur 1 zur Ein-/Aus- schaltung mehrerer Einstellbereiche des Weitein- stellbereiches,

Figur 4 einen Aufbau für einen überlastauslöser mit mehreren Parallelzweigen und thermischer Kopplung der einzelnen Zweige und der Teilanzapfung eines Kurz- schlussschneilauslösers,

Figur 5 einen Bimetallzweig mit parallelen Heizwicklungen, Figur 6 eine Parallelschaltung von zwei Heizwicklungen nach Figur 5 mit einer Auslösespule aus n-Windungen,

Figur 7 Beispiele für eine thermische Kopplung des Bimetalls mit dem Shunt des Parallelzweiges, Figur 8 weitere Beispiele für eine thermische Kopplung gemäß Figur 7, aber mit einem zusätzlichen Heizleiter für den Bimetallstrompfad,

Figur 9 eine Strom-Zeit-Kennlinie für eine rein thermische Auslösung (überlastauslöser) , Figur 10 eine Strom-Zeit-Kennlinie für eine kombinierte thermisch/magnetische Auslösung (überlast- /Kurzschlussschnellauslöser) , Figur 11 einen dreipoligen Schalter unter Verwendung der Mittel zur Realisierung des Weiteinstellbereiches, wobei eine thermische Kopplung des Parallelzweiges an den überlastauslöser vermieden ist,

Figur 12 einen dreipoligen Schalter unter Verwendung der Mittel zur Realisierung des Weiteinstellbereiches mit thermischer Kopplung des Parallelzweiges an den überlastauslöser,

Figur 13 einen dreipoligen Schalter mit Mitteln zur Realisierung des Weiteinstellbereiches nach Figur 11 o- der Figur 12 und mit einschaltbarer Anzapfung der

Auslösermagnetspule .

Nachfolgend wird zunächst am Beispiel eines überlastrelais mit Bimetall und Heizwicklung die Realisierung des erfindungsgemäßen Weiteinstellbereiches in verschiedenen Varianten dargestellt. Die unterschiedliche Ausbildung der einzelnen Beispiele wird jeweils separat, deren Funktion anschließend gemeinsam beschrieben:

Bei den einzelnen Figuren kennzeichnen die Bezugszeichen 1 einen ersten Stromzweig und 2 einen zweiten Stromzweig, der parallel zum ersten Stromzweig geführt ist. Weiterhin bedeuten Bezugszeichen 10 ein Bimetall, das eine temperaturabhängige Schaltfunktion hat, wie es auch vom Stand der Technik bekannt ist.

Figur 1 verdeutlicht das Prinzip der Widerstandsanpassung: die unterlegten Felder kennzeichnen die thermische Trennung zwischen Bimetallzweig und Parallelzweig: Im Einzelnen befinden sich im Bereich des Stromzweiges 1 ein Bimetall 11 mit einem Heizleiter 12 und im Bereich des Stromzweiges 2 ein Shunt 21. Der Parallelzweig 2 ist über einen Schalter 25 zuschaltbar.

In der Figur 2 ist eine Einheit mit Steuerkontakten 15 vorhanden, welche einen Schließer und einen öffner beinhaltet. Diese werden durch einen Bimetall-Auslöser 10 indirekt mechanisch betätigt. Alternativ kann der Bimetallauslöser 10 auch ein Schaltschloss betätigen. Weiterhin ist entsprechend Figur 1 im Parallelstromzweig 2 ein Schaltkontakt 25 mit einem nachgeschalteten Widerstand 21, der dem Shunt aus Figur 1 entspricht, angeordnet.

Als Dimensionierungsbeispiel für eine Ausführung nach Figur 2 gilt: Der standardmäßige Einstellbereich eines überlastrelais liege zwischen 11 und 16 A. Der elektrische Widerstand RBime- _ta u von Bimetall mit Heizleiter beträgt hierzu etwa 8,6 mω.

Zur Erweiterung des Einstellbereiches von 16 A auf 16/11*16 A = 23 A wird durch einen zuschaltbaren Parallelwiderstand der Stromanteil von 7 A (= 23 A - 16 A) von diesem übernommen.

Der Parallelwiderstand erhält hierzu - unter Einschluss von Leitungs- und Kontaktwiderstand - den Widerstandswert:

Rparallel = RϊUmetall* H A/ 5 A * 19 mω ( 1 )

Der elektrische Anschluss des Parallelwiderstandes erfolgt an den elektrischen Zuführungen der Anschlussklemmen zum Bimetall und zum Heizleiter, wobei die Anschlussleitungen über einen mechanisch betätigbaren Schaltkontakt geführt werden. Dieser kann beispielsweise als Bananensteckkontakt ausgebildet sein, dessen Stecker innerhalb einer Rohrführung gegen eine öffnungsfeder in die Bananenbuchse einschiebbar ist, und dessen Ein- und Ausschaltposition durch geeignete Rastungen fixierbar ist. Der Parallelwiderstand besteht vorzugsweise aus Widerstandsmaterial mit geringem Temperaturkoeffizienten und ausreichend hoher Anwendungstemperatur.

Aus dem Standardeinstellbereich mit unterem Einstellstrom i _u . und oberem Einstellstrom i _o . kann für einen lückenlosen, ein- stufigen Weiteinstellbereich mit oberem Weiteinstellstrom i _o .w. für den Parallelwiderstand Rparaiiei zum Bimetallwiderstand Rßimetaii eine allgemeine Dimensionierungsformel angegeben werden:

i _o . _w . = i _o . ² /i _u . , (2)

mit dem Stromanteil des Parallelwiderstandes bei

io .w. i Ip ⁼ lo.w. — lo . ( 3 )

und

Rparallel ⁼ io . / ( io . w ^~ io . ) * ^Bimetall ( 4 )

Eine identische Beziehung lautet

Rparallel ⁼ iu./(i-o. ^~ iu.) * Rßimetall ) (5)

Als R _ß im _et aii wird hierzu der Widerstand des Bimetallstromzweiges zwischen den Anschlusspunkten des Parallelstromzweiges verstanden.

Die Einschaltung des Weiteinstellbereiches eines 3-poligen überlastrelais erfolgt über ein gemeinsames, rastendes Betätigungsglied, das über eine Traverse mit den drei Schaltkontakten in mechanischem Eingriff steht und wodurch den Bimetallstromzweigen die ihnen zugeordneten Parallelstromzweige elektrisch parallel geschaltet werden. Die Parallelstromzweige mit zugehörigen Schaltkontakten und Parallelwiderständen können in einem, von den Bimetallen getrennten Gehäusebereich des überlastrelais angeordnet sein. Dadurch wird die gegenseitige, thermische Beeinflussung minimiert und die überlast- auslösekennlinie unverändert gehalten.

Mit dem Einschalten des Weiteinstellbereiches wird die Auslösung zu höheren Strömen und damit zu einer höheren Verlustleistung des überlastrelais verschoben. Gegenüber der Ver- lustleistung beim Standardeinstellbereich bei i = i _o . = 16 A und Pei = RBimetaii * (16 A) ² erhöht sich beim Weiteinstellbereich bei i = i _o . _w . = 23 A die Verlustleistung auf:

Pel = RBimetaii * (16 A) ² + Rparallel * (7 A) ² , (6)

was eine relative Zunahme von 7/16, d.h. « 40 % bedeutet.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Beispiels gemäß Figur 2, das sowohl räumliche Vorteile wie auch eine geringere Ver- lustleistung bieten kann, sind der Bimetallstromzweig und der Parallelstromzweig in einem gemeinsamen Gehäuseabschnitt untergebracht. Der Parallelwiderstand kann dabei mit einem kleineren Widerstandswert als oben erwähnt bemessen sein, da die dadurch reduzierte Heizleistung am Bimetall durch eine gewisse Zusatzheizung seitens des Parallelwiderstandes, d.h. durch Strahlungs- und Konvektionswärme kompensierbar ist.

In konkreter Ausgestaltung können Kontakte mit steckbaren und/oder drehbaren Kontaktträgern vorhanden sein. Als eine Nebenfunktion des steckbaren Kontaktträgers unterbricht dieser im demontierten Zustand mit geeigneten Betätigungsglie- dern die Steuerkontakte des überlastrelais. Dadurch wird gewährleistet, dass das überlastrelais und das von diesem überwachte Schaltgerät außer Betrieb gesetzt ist, solange der steckbare Kontaktträger nicht montiert ist. Zur Montage des steckbaren Kontaktträgers kann Hilfswerkzeug, beispielsweise Schraubendreher oder dergleichen, benötigt werden.

Als weitere Variante können die drei Kontaktelemente in einem gemeinsamen, drehbaren Kontaktträger integriert sein. Die Drehposition des Kontaktträgers kann rastend sein, so dass vorgegebene Drehwinkel eingehalten werden, bei denen der

Weiteinstellbereich sicher eingeschaltet oder sicher ausgeschaltet ist. Um dies zu gewährleisten, können die Steuerkontakte des überlastrelais in vorgegebenen Drehwinkelpositionen unterbrochen oder nicht unterbrochen sein, so dass das über- lastrelais nur bei korrekter Einstellung betriebsbereit ist.

Mit den mechanisch montierbaren Kontaktelementen können im Allgemeinen höhere Kontaktkräfte realisiert werden, als mit bedienbaren Schaltkontakten. Dies kann vorteilhaft dazu ge- nutzt werden, höhere Betriebsströme über die Kontaktelemente zu leiten.

Als Variante zum Bimetallstromzweig mit Parallelstromzweig gemäß Figur 2 ist eine Teilüberbrückung des Heizleiters zur Realisierung des Weiteinstellbereiches möglich. Als Kontakte zur Ein- Ausschaltung des Weiteinstellbereiches eignen sich montierbare Kontaktelemente, die bei höheren Kontaktkräften kleinere Kontaktwiderstände aufweisen und bei begrenzten Kurzschlussströmen den vollen Strom tragen können. Der Kon- taktwiderstand sollte unter 1 mω liegen, damit der Hauptteil des Stromes über den überbrückungsstrompfad und nur ein geringer Teil über den überbrückten Bimetallabschnitt fließt.

In grober Abschätzung wird die Restheizleistung des überbrückten Abschnittes die Wärmeableitung durch den an der Heizwicklung angeschlossenen überbrückungsstromleiter kompensieren. Um wie im Beispiel der Figur 1 die gleiche Bimetall- heizung bei Standardeinstellbereich und 16 A Stromfluss wie beim Weiteinstellbereich und 23 A Stromfluss zu erzielen, ist der restliche Heizleiter bis auf einen relativen Anteil von (16/23) ² « 0,5, der nicht überbrückt wird, zu überbrücken.

Durch Wärmeleitung wird ein Teil der Heizleistung des den vollen Strom tragenden Heizleiterabschnittes auf den überbrückten Teilabschnitt übertragen, so dass mit einer nicht zu ungleichmäßigen Heizung des Bimetalls zu rechnen ist. Trotzdem wirkt sich z. B. eine überbrückung des Heizleiters im Bi- metall-Fußbereich wegen des Zusammenspiels von Krümmung und

Hebelarm stärker auf die Auslenkung aus, als an anderer Stelle des Bimetallstreifens. Dies kann ausgeglichen werden, indem in diesem Beispiel ein kürzerer Heizleiterabschnitt als (1- (16/23) ² ) in relativen Einheiten überbrückt wird.

In Figur 3 befinden sich im Bereich des zweiten Stromzweiges 2 drei parallelgeschaltete Shunts 21, 22 und 23, wozu ein entsprechend selektiver Umschalter 26 vorhanden ist. Durch die Zuschaltung eines entsprechenden Shunts ist der jeweilige Einstellbreich EB wählbar.

Gemäß nachfolgender tabellarischer Aufstellung ergeben sich beispielsweise folgende Werte:

Tabelle 1: Einstellbereich EB durch Shunt-Anwählung nach dem Prinzip der Widerstandsanpassung

Stufe in Fig. 3 Shunt EB

O 1,00 -> 1, 40 1 250% 1,40 —» 1, 96 2 104% 1,96 2, 74 3 57% 2,74 → 3, 84

Durch obiges Prinzip der Widerstandsanpassung mit mehreren parallelen Stufen und beispielhaften Werten für den Widerstand des Parallelzweigs ergeben sich also unterschiedliche Einstellbereiche EB, die insgesamt den Weiteinstellbereich WEB definieren mit WEB= (1,00 bis 3,84) *I _U .

Figur 4 und 5 verdeutlichen das Prinzip einer Leistungsanpassung: Das gemeinsam unterlegte Feld kennzeichnet die thermische Kopplung zwischen Bimetallzweig und Parallelzweig: In Figur 4 sind wiederum ein Bimetall 11 und ein Heizleiter 12 im Hauptzweig 1 sowie parallel geschaltete Shunts bzw. Heizleiter im Parallelzweig 2 vorhanden. Weiterhin ist die Anzapfung einer Spule 40 für einen so genannten n-Auslöser vorhanden.

Wie bereits erwähnt sind diese Elemente thermisch gekoppelt, so dass durch Wärmeübergang die geforderte Leistungsanpassung gewährleistet ist.

Als Dimensionierungsbeispiel für eine Ausführung nach dem Prinzip der Leistungsanpassung (Figur 4 bis 6) gilt: der standardmäßige Einstellbereich eines überlastrelais liege zwischen 11 und 16 A. Dieser Einstellbereich soll als Grundeinstellbereich GEB (im Beispiel = 16/11) bezeichnet werden. Nach dem Prinzip der Leistungsanpassung muss die thermische Verlustleistung am Bimetall 11 in allen Einstellbereichen konstant sein. Hierzu ist der Widerstand des Parallelzweigs Rp ₂ bei gegebenem Widerstand des Bimetallzweigs R _B z wie folgt zu dimensionieren:

Rpz = RBZ / ( GEB ² - 1 ) ( 7 )

Bei einem angenommenen (mit Wexteinstellbereich) maximalen Betriebsstrom I _r = 23,3 A fließt durch den Bimetallstromzweig ein Strom von I _B z= I ₀ /GEB = 11 A und durch den Parallelzweig Ipz = IBZ * RBZ / (RBZ+RP _Z ) = 12,3 A. Das heißt, der Strom durch den Bimetallzweig ist um den Faktor 1/GEB abgesenkt. Die dadurch geminderte thermische Verlustleistung des Bimetallzweigs wird vollständig durch die thermische Verlustleistung des Parallelzweigs kompensiert:

Pv, Bimetall = COnst . = I _BZ ² * RßZ + Ip _Z ² * RpZ ( 8 )

In diesem Beispiel kann der Betriebsstrom I _r im unteren Ein- Stellbereich (Parallelzweig geöffnet = inaktiv) zwischen I _u = 11 A und I ₀ = 16 A sowie im oberen Einstellbereich zwischen I _u *(16/11)= 16 A und I _u *(lβ/ll) ² = 2,12 * I _u = 23,3 A eingestellt werden.

Für mehrstufige Einstellbereiche ergeben sich beim Prinzip der Leistungsanpassung im Vergleich zum Prinzip der Widerstandsanpassung folgende Werte (vgl. Tabelle 1 oben):

Tabelle 2: Einstellbereich EB durch Shunt-Anwahlung nach dem Prinzip der Leistungsanpassung

Stufe in Fig. 3 RPZ/RBZ EB

0 1 , 00 1 , 40 1 104 % 1 , 40 → 1 , 96 2 35 % 1 , 96 -> 2 , 74 3 15 % 2 , 74 -» 3 , 84

In der Figur 5 sind zwei Heizleiter dem Bimetall parallel zu- geordnet, wobei in Figur 6 zusatzlich der Kurzschlussschnell- ausloser aus Figur 4 vorhanden xst.

Figur 4 verdeutlicht das Prinzip einer Leistungsanpassung: Das gemeinsam unterlegte Feld kennzeichnet die thermische Kopplung zwischen Bimetallzweig und Parallelzweig. In Figur 4 sind wiederum ein Bimetall 11 und ein Heizleiter 12 im Hauptzweig 1 sowie parallel geschaltete Shunts bzw. Heizleiter im Nebenzweig 2 vorhanden. Weiterhin ist die Anzapfung einer Spule 40 für einen so genannten n-Auslöser vorhanden.

Wie bereits erwähnt sind diese Elemente thermisch gekoppelt, so dass durch Wärmeübergang die geforderte Leistungsanpassung gewährleistet ist.

Eine Alternative zur Anpassung der Bimetallheizung an den Weiteinstellbereich ist - bei praktisch gleich bleibender Länge des Heizleiters - seine Querschnittsvergrößerung und damit Widerstandsabsenkung. Dies kann z. B. gemäß Figur 7 dadurch realisiert werden, dass dem Heizleiter 71 des Standardeinstellbereiches ein zweiter Heizleiter 72 parallel geschal- tet wird, der diese effektive Querschnittsvergrößerung liefert. Vorteilhaft ist, dass der hierzu benötigte Schaltkontakt, wie im Beispiel der Figur 1 nur einen Teilstrom - sowohl im Nennbetrieb, wie im Kurzschlussfall - führen muss. Nachteilig ist die erhöhte Steifigkeit des Bimetallheizers und die unterschiedliche thermische Kopplung der einzelnen Heizleiter zum Bimetallstreifen, da die Heizleiter bis auf den gemeinsamen Anschluss gegeneinander elektrisch isoliert sein müssen. Dadurch verschiebt sich die Auslösezeitkennlinie zu größeren Auslöse- und Rückstellzeiten.

In der Figur 5 sind zwei Heizleiter dem Bimetall parallel zugeordnet, wobei in Figur 6 zusätzlich der n-Auslöser aus Figur 4 vorhanden ist.

In den Figuren 7a, 7b und 7c sind Alternativen für eine thermische Kopplung einer Wicklung 72 oder Shunts 73 bzw. 74 des Parallelzweigs an ein Bimetall 71 ohne ursprüngliche Heizwicklung für das Bimetall der überlastschutzeinrichtung 10

aus Figur 2 dargestellt: Es ergibt sich eine gute thermische Kopplung. Das Bimetall 71 und die Shunts 72, 73 und 74 sind beispielsweise durch Glasseide oder Glimmer gegenseitig elektrisch isoliert.

In den Figuren 8a, 8b und 8c sind Alternativen für eine thermische Kopplung der Wicklung 72 oder des Shunts 72 bzw. Shunts 73 des Parallelzweigs an das Bimetall mit ursprünglicher Heizwicklung 76 für das Bimetall 71 dargestellt: Es er- gibt sich ebenfalls eine gute thermische Kopplung. Der Heizleiter 76 ist von den übrigen Strombahnkomponenten durch Glasseide oder Glimmer elektrisch isoliert.

In den Figuren 9 und 10 ist jeweils in doppellogarithmischer Darstellung die Auslösezeit des überlastauslösers als Funktion des Vielfachen des Einstellstromes I _r dargestellt: Aufgetragen ist auf der Abszisse das Vielfache des Stromes I _r , bei dem eine Auslösung erfolgt, und auf der Ordinate die Auslösezeit t. In Figur 9 ergeben sich als Auslösekennlinie hierzu der Graph 91 und in Figur 10 die Graphen 91 und 92.

Bei einem Weiteinstellbereich des Einstellstromes I _r , mit I _u <=I _r <=2*I _u , liefert der untere Einstellbereich und der obere Einstellbereich weitgehend die gleiche Auslösekennlinie. In Figur 10 ist neben der überlastauslösekennlinie 91 zusätzlich die Kurzschlussauslösekennlinie 92 dargestellt. Die Kurzschlussauslösekennlinie 92 wird im Allgemeinen als Vielfaches des oberen Grenzwertes des gewählten Bereiches angegeben. Eine gleich bleibende Kurzschlussauslösekennlinie 92 des unteren und des oberen Einstellbereiches kann durch Ein-/

Ausschalten der Teilanzapfung des Kurzschlussschnellauslösers realisiert werden.

In der Figur 11 ist ein dreipoliger Schalter 100 mit Schalt- schloss 101, drei Schaltkontakten 110, 110', HO'' und zugehörigen überlastauslösern dargestellt. Es sind jeweils elek- trothermische überlastauslöser 102, 102', 102'' einerseits und elektromagnetische Kurzschlussauslöser 103, 103', 103''

andererseits ersichtlich. Dabei enthalten die elektrothermi- schen Auslöser 102, 102', 102'' Bimetalle im Stromzweig und zuschaltbare Parallelstromzweige mit Widerständen und Schaltern entsprechend Figur 1 oder einem der weiteren andersarti- gen Beispiele der Figuren 2 bis 10. Speziell die Parallelstromzweige sind durch eine mechanische Betätigung 105 mit zugehöriger ' Ein/Aus' -Anzeige manuell ein- bzw. ausschaltbar, wodurch - wie oben im Einzelnen beschrieben wurde - der Weiteinstellbereich geschaffen wird. Es ist auch eine automati- sierte Einstellung des jeweiligen Bereiches möglich.

Anhand der Figur 12 wird verdeutlicht, wie durch eine thermische Kopplung, was durch gemeinsame Unterlegung der Komponenten angedeutet ist, statt einer Widerstandsanpassung eine Leistungsanpassung realisiert werden kann. Dazu werden geeignete Mittel eingesetzt, die oben anhand der Figuren 4 bis 8 beschrieben sind.

Letzteres wir mit Figur 13 weiter verdeutlicht. Hier ist dem Bimetall 11 mit Heizelement 12 jeweils eine weitere Heizwicklung 21 unmittelbar zugeordnet, so dass sich damit die thermisch gekoppelte Einheit ergibt. Außerdem wird die Magnetspule 40 des Kurzschlussschnellauslösers durch den parallel geschalteten Heizleiter 21 angezapft.

Die Erfindung wurde insbesondere für überlastrelais beschrieben. In anderen bevorzugten Anwendungen kommen die oben beschriebenen Einrichtungen zur Weitbereichseinstellung bei Motorschutzschaltern oder auch bei einem Leistungsschalter zum Einsatz.