| JP2004311121 | SWITCHING DEVICE |
| JP02230623 | INSULATING ROD FOR SWITCHING DEVICE |
| WO/2005/045864 | SWITCHING DEVICE COMBINATION FOR CAPACITIVE LOADS CONNECTED TO DIRECT VOLTAGE |
Käding, Andreas (Rathenaustr. 49, Falkensee, 14612, DE)
Kruschke, Michael (Buchenweg 12, Schwante, 16727, DE)
Liebetruth, Marc (Hubertusallee 60, Glienicke, 16548, DE)
Dahl, Jörg-uwe (Am Plötzhorn 45, Werder, 14542, DE)
Käding, Andreas (Rathenaustr. 49, Falkensee, 14612, DE)
Kruschke, Michael (Buchenweg 12, Schwante, 16727, DE)
Liebetruth, Marc (Hubertusallee 60, Glienicke, 16548, DE)
| 1. | Leistungsschalter (10) mit wenigstens zwei feststehenden Kontakteinrichtungen (12) zweier Pole, wenigstens zwei rela tiv dazu beweglichen Kontakteinrichtungen (14), die jeweils wenigstens einen Kontaktträger (16) und wenigstens ein Kon taktelement (18) umfassen, einer Schaltwelle (20) und wenigs tens zwei Koppeleinrichtungen (22), wobei die wenigstens zwei Kontaktträger (16) mit jeweils we nigstens einem Kontaktelement (18) mechanisch wirkver bunden sind und die wenigstens zwei Kontaktträger (16) mit der Schalt welle (20) durch jeweils wenigstens eine Koppeleinrich tung (22) und einem mit der Schaltwelle (20) starr ver bundenen Schaltwellenhebel (24) gelenkig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein im ein geschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkendes Moment (Mr, red) eines Pols ge genüber wenigstens einem im eingeschalteten Zustand des Leis tungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkenden Moment (Mr) wenigstens eines weiteren Pols reduziert ist, in dem die Länge des wirksamen Hebelarms (hW, red) zwischen der Schaltwelle (20) und dem Gelenk von Schaltwellenhebel (24) und Koppeleinrichtung (22) des wenigstens einen Pols mit im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) reduzierten rückwirkenden Moment (Mr, red) ge genüber der Länge des wirksamen Hebelarms (hw) des wenigstens einen weiteren Pols durch Verlagerung des Ankoppelpunktes (26) zwischen dem Schaltwellenhebel (24) und der Koppelein richtung (22) verkürzt ist. |
| 2. | Leistungsschalter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n zeichnet, dass die Länge des wirksamen Hebelarms (hw, red) wenigstens eines Pols mit im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) reduzierten rückwirkenden Moment (Mr, red) zu Null oder nahe Null reduziert ist. |
| 3. | Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter (10) dreipolig ausgeführt ist. |
| 4. | Leistungsschalter nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n zeichnet, dass jeweils das im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkende Moment (Mr, red) der beiden äußeren Pole gegenüber dem im ein geschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkenden Moment (Mr) des inneren Pols reduziert ist. |
| 5. | Leistungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e kennzeichnet, dass der Leistungsschalter (10) vierpolig ausgeführt ist. |
| 6. | Leistungsschalter nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass j eweils das im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkende Moment (Mr, red) der beiden äußeren Pole und eines der inneren Pole gegenüber dem im eingeschalteten Zustand des Leistungs schalters (10) auf die Schaltwelle (20) rückwirkenden Moment (Mr) des verbleibenden inneren Pols reduziert ist. |
| 7. | Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kop peleinrichtung (22) wenigstens eine Koppelstange umfasst. |
| 8. | Leistungsschalter nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n zeichnet, dass alle Koppelstangen dieselbe Länge besit zen. |
| 9. | Leistungsschalter nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n zeichnet, dass wenigstens zwei Koppelstangen voneinander abweichende Längen besitzen. |
Das Schalten hoher Spannungen und Ströme erfordert speziell ausgelegte Schaltvorrichtungen, welche allgemein unter dem Begriff Leistungsschalter zusammengefasst werden können. Ge- meinhin setzt sich der Aufbau eines solchen Leistungsschal- ters im Wesentlichen aus einer oder mehreren feststehenden und einer oder mehreren beweglichen Kontakteinrichtungen zu- sammen sowie wenigstens einer Antriebseinheit, welche mit den beweglichen Kontakteinrichtungen wirkverbunden ist. Mit Hilfe der Antriebseinheit können bewegliche mit feststehenden Kon- takteinrichtungen zusammengeführt oder getrennt werden, was ein Schließen oder Öffnen der mit, den Kontakteinrichtungen verbundenen Stromkreise bewirkt.
Bei modernen Bauformen von Niederspannungs-Leistungsschaltern liegen die Kontakteinrichtungen dicht benachbart. Von neben- einander liegenden Kontakteinrichtungen geführte Ströme üben dadurch bedingt hohe elektrodynamische Kräfte auf die jeweils benachbarten Kontakteinrichtungen aus. Es wirken so auf die Kontaktelemente kontaktabhebende Kräfte, die den Kontaktan- druckkräften entgegengerichtet sind. Die Folge dieses Effekts können bei Strömen mit hohem dynamischen Anteil, wie sie im Kurzschlussfall einer elektrischen Maschine auftreten können, eine Herabsetzung der Stromtragfähigkeit, im Kurzschlussfall der Stoßkurzschlussstromtragfähigkeit, des Leistungsschalters und eine drastische Verringerung der Lebensdauer durch Ab- brand sein.
Es ist eine Maßnahme zum Erreichen von kurzschlussstromunab- hängigen Auslösekräften bekannt, bei welcher die rückwirken- den Kräfte aus den Kontaktdruckfedern und die elektrodyna- misch erzeugten Kräfte über die kinematische Kette kein Dreh- moment auf die Schaltwelle ausüben. Hierbei wird der wirksame Hebelarm des Moments im eingeschalteten Zustand des Leis- tungsschalters auf Null reduziert. Der Nachteil dieser Aus- führungsform besteht darin, dass für den Ausschaltvorgang zu- sätzliche Antriebselemente, beispielsweise in Form von Fe- dern, erforderlich sind, um ein ausreichendes Moment für das Öffnen der Kontakte zur Verfügung zu stellen.
Die DE 101 37 422 Cl zeigt einen Kontaktträger für Nie- derspannungs-Leistungsschalter, der mit seitlichen Lagerzap- fen drehbar gelagert ist und der über ein Kniehebelsystem be- wegt wird, bestehend aus einer Koppellasche, die sowohl mit dem Kontaktträger als auch mit einem Hebel gelenkig verbunden ist, der starr mit einer Schaltwelle verbunden ist. Bezogen auf den Abstand zum Lagerzapfen lässt sich die Koppellasche in unterschiedlichen Positionen befestigen. Damit kann das wirksame Moment der Kontaktkraftfedern verändert werden, wo- bei die Auslösekraft an der Schaltwelle konstant bleibt. Un- terschiedliche rückwirkende Momente der Kontaktträger auf die Schaltwelle bei dynamischen Belastungen lassen sich jedoch nicht erreichen, ohne dass gleichzeitig der Kontaktdruck ver- ändert wird.
Eine weitere Justierbarkeit sieht die DE 100 07 401 A1 vor.
Nach dieser Lösung besteht das Koppelelement selbst aus zwei winklig verbundenen Teilen. Die Teile lassen sich in einem beliebigen Winkel arretieren, wodurch sich die wirksame Länge des Koppelelements verkürzen beziehungsweise verlängern lässt
und die Kontaktkraft einjustiert werden kann. Auf die rück- wirkenden Momente hat die Verstellmöglichkeit indessen keinen Einfluss.
Ausgehend von dieser Problematik liegt nun der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsschalter der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher sich durch eine erhöhte Stoßkurz- schlussstromtragfähigkeit auszeichnet und keine zusätzlichen Antriebseinrichtungen benötigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leistungs- schalter mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Der Leistungsschalter zeichnet sich dadurch aus, dass er aus wenigstens zwei feststehenden Kontakteinrichtungen zweier Po- le, wenigstens zwei relativ dazu beweglichen Kontakteinrich- tungen, die wenigstens einen Kontaktträger und wenigstens ein Kontaktelement umfassen, einer Schaltwelle und aus wenigstens zwei Koppeleinrichtungen aufgebaut ist, und die wenigstens zwei Kontaktträger mit jeweils wenigstens einem Kontaktele- ment mechanisch wirkverbunden sind sowie die wenigstens zwei Kontaktträger mit der Schaltwelle durch jeweils wenigstens eine Koppeleinrichtung und einem mit der Schaltwelle starr verbundenen Schaltwellenhebel gelenkig verbunden sind, wobei wenigstens ein im eingeschalteten Zustand des Leistungsschal- ters auf die Schaltwelle rückwirkendes Moment eines Pols ge- genüber wenigstens einem im eingeschalteten Zustand des Leis- tungsschalters auf die Schaltwelle rückwirkenden Moment we- nigstens eines weiteren Pols reduziert ist, indem die Länge des wirksamen Hebelarms zwischen der Schaltwelle und dem Ge- lenk von Schaltwellenhebel und Koppeleinrichtung des wenigs- tens einen Pols mit im eingeschalteten Zustand des Leistungs- schalters auf die Schaltwelle reduzierten rückwirkenden Mo- ments gegenüber der Länge des wirksamen Hebelarms des wenigs-
tens einen weiteren Pols durch Verlagerung des Ankoppelpunk- tes zwischen dem Schaltwellenhebel und der Koppeleinrichtung verkürzt ist.
Hierdurch wird vorteilhaft eine Reduzierung der Beweglichkeit des jeweiligen Kontaktträgers durch die Herabsetzung der Schaltwellentorsion und der Verformung der kraftübertragenden Elemente im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters erreicht. Insbesondere rückwirkende elektrodynamisch erzeugte Kräfte führen somit zu einer sehr viel geringeren Kontaktträ- gerbewegung. Ein Abheben der Kontakte erfordert dadurch be- dingt einen sehr viel höheren Stoßkurzschlussstrom, woraus letztlich eine Erhöhung der Stoßkurzschlussstromtragfähigkeit resultiert. Das verbleibende Moment für das Öffnen der Kon- takte ist ausreichend, um ein sicheres Ausschalten zu gewähr- leisten, ohne dass Hilfsenergie in Form von zusätzlichen An- triebseinrichtungen benötigt wird.
Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass die Länge des wirk- samen Hebelarms wenigstens eines Pols mit im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters auf die Schaltwelle reduzier- ten rückwirkenden Moment zu Null oder nahe Null reduziert ist, da in diesem Fall das rückwirkende Moment ebenfalls zu Null beziehungsweise nahe Null reduziert wird.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Leistungsschalter, beispielsweise für das Schalten von Dreh- stromlasten, vorzugsweise dreipolig ausgeführt, wobei insbe- sondere vorteilhaft vorgesehen ist, dass insbesondere bei der Einkopplung des Antriebsmoments in die Schaltwelle im Bereich des mittleren Pols jeweils das im eingeschalteten Zustand des Leistungsschalters auf die Schaltwelle rückwirkende Moment der beiden äußeren Pole gegenüber dem im eingeschalteten Zu-
stand des Leistungsschalters auf die Schaltwelle rückwirken- den Moment des inneren Pols reduziert ist. Da die Kinematik im Bereich des mittleren Pols aufgrund der Einkoppelmechanik für die Übertragung des Antriebsmoments eine höhere Steifig- keit aufweist als in den äußeren Polen, führen rückwirkende Kräfte zu größeren Kontaktträgerbewegungen bei den Außenpha- sen als bei der inneren Phase. Dies kann zusätzlich zu der Torsion der Schaltwelle zu einer verstärkten Verformung der Schaltergehäuse und damit zu einem Durchdruck-und Kraftver- lust der Kontakthebel führen. Durch die erfindungsgemäßen Mittel wird die Kontaktträgerbeweglichkeit in den äußeren Phasen reduziert und somit eine Torsion der Schaltwelle und eine Verformung der Schaltergehäuse aufgrund von rückwirken- den Momenten verringert. Weiterhin ergibt sich eine symmetri- sche Verteilung der Schaltkräfte in Bezug auf die beiden äu- ßeren Phasen, was eine höhere Lebensdauer des Leistungsschal- ters erwarten lässt.
Insbesondere ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Er- findung zweckmäßig vorgesehen, dass der Leistungsschalter vierpolig ausgeführt ist, um beispielsweise das Schalten von Drehstromlasten mit N-Leiter zu ermöglichen. Besonders bevor- zugt ist hierbei vorgesehen, dass jeweils das im eingeschal- teten Zustand des Leistungsschalters auf die Schaltwelle rückwirkende Moment der beiden äußeren Pole und eines der in- neren Pole gegenüber dem im eingeschalteten Zustand des Leis- tungsschalters auf die Schaltwelle rückwirkenden Moment des verbleibenden inneren Pols reduziert ist. Durch diese erfin- dungsgemäßen Mittel werden dieselben Vorteile erzielt, wie bei der dreipoligen Ausgestaltung des Leistungsschalters.
Weiterhin ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfin- dung vorteilhaft vorgesehen, dass alle Koppelstangen dieselbe
Länge besitzen. Zur Realisierung unterschiedlich langer wirk- samer Hebelarme der rückwirkenden Momente auf die Schaltwelle sind in diesem Falle die Ankoppelpunkte an die Koppeleinrich- tung der Schaltwellenhebel in Bezug auf die Schaltwellenachse entsprechend zu setzen. Dies kann beispielsweise durch unter- schiedliche Winkelstellungen der Schaltwellenhebel erreicht werden. Bei dieser Ausführung des Leistungsschalters lässt sich das Bauteilespektrum für die Koppeleinrichtung auf eine Koppelstange reduzieren, was mit einer Kosteneinsparung und einer Vermeidung von Fertigungsfehler durch Vertauschungen verbunden ist. Da der Leistungsschalter für höhere Kurz- schlussströme konzipiert ist, ergibt sich für die Ausschalt- kräfte der Vorteil, dass bei gleicher Ausverklinkung im stromlosen Fall die Ausschaltkraft verringert, im Kurz- schlussfall aber nicht so stark erhöht wird, wie es bei einer Schaltwelle mit gleichen Schaltwellenhebeln und gleichen La- gen der Ankoppelpunkte der Fall wäre. Damit ist die von der Ausschaltverklinkung zu bewältigende Bandbreite des erfin- dungsgemäßen Leistungsschalters gegenüber einem Leistungs- schalter mit gleichen Schaltwellenhebeln und gleichen Lagen der Ankoppelpunkte verringert.
Darüber hinaus ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens zwei Koppelstangen von- einander abweichende Längen besitzen, um die durch unter- schiedliche Lagen der Ankoppelpunkte bedingten voneinander abweichenden Winkelstellungen der Kontaktträger auszuglei- chen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen an- hand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 einen mehrpoligen Leistungsschalter mit feststehen- den und beweglichen Kontakteinrichtungen, Schalt- welle, Schalthebeln und Koppeleinrichtung ; Figur 2 einen dreipoligen Leistungsschalter mit reduzierten wirksamen Hebelarmen der rückwirkenden Momente in den äußeren Phasen R und T und Figur 3 Winkelstellungen der Gelenke in den Ankoppelpunk- ten.
In Figur 1 ist in einem Ausführungsbeispiel schematisch der Aufbau eines mehrpoligen Leistungsschalters 10 im eingeschal- teten Zustand dargestellt. Die Mechanik je eines Strompfades ist zum Vergleich in Figur la und Figur 1b aufgeführt. Sie besteht jeweils aus einem Kontaktträger 16, einem Kontaktele- ment 18, einer Koppeleinrichtung 22, als Koppelstange ausge- führt, und einem Schaltwellenhebel 24. Die Schaltwellenhebel 24 beider Strompfade sind mit derselben Schaltwelle 20 ver- bunden. Die Übertragung des Antriebsmoments der Schaltwelle 20 erfolgt jeweils über den Schaltwellenhebel 24 und die Kop- pelstange auf den Kontaktträger 16 bis hin zum Kontaktelement 18, welches letztlich mit einer entsprechenden Kraft auf die feststehende Kontakteinrichtung 12 wirkt. Im Falle einer rückwirkenden, beispielsweise elektrodynamisch erzeugten Kraft Fr, die in näherungsweise entgegengesetzter Richtung auf das Kontaktelement 18 wirkt, findet die Kraftübertragung in umgekehrter Richtung statt. Es wirkt so letztlich auf. die Schaltwelle 20 ein Moment Mr, dessen Größe abhängig ist von der kinematischen Kette. In diesem Beispiel wurde für die An-
ordnung in Figur la lediglich der Ankoppelpunkt 26 in dem Schaltwellenhebel 24, in welchem der Schaltwellenhebel 24 durch ein Gelenk mit der Koppelstange verbunden ist, verlegt.
Ansonsten wurden dieselben Längen für die Verbindungsstrecken zwischen den einzelnen Gelenken gewählt. Dies bewirkt eine Reduzierung des wirksamen Hebelarms hW, red eines rückwirkenden Moments Mr, red in Figur la gegenüber Figur lb. Bei gleichen rückwirkenden Kräften Fr ergibt sich folglich in Figur la ein geringeres, auf die Schaltwelle 20 rückwirkendes Moment Mr, red als in Figur lb. Auf diese Weise wird die Schaltwellentorsion sowie die Verformung der kraftübertragenden Elemente so weit herabgesetzt, dass die zum Abheben des Kontaktelements 18 von der feststehenden Kontakteinrichtung 12 führenden Bewegungen des Kontaktträgers 16 reduziert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Stoßkurzschlussstromtragfähigkeit in der ent- sprechenden Phase. Das verbleibende Antriebsmoment der Schaltwelle 20 zum Zeitpunkt des Ausschaltens ist ausrei- chend, um ein sicheres Ausschalten des Leistungsschalters 10 zu gewährleisten.
Figur 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der mecha- nischen Anordnung eines dreipoligen Leistungsschalters 10 mit den Strompfaden R, S und T. Der Leistungsschalter 10 besteht aus einer Schaltwelle 20 mit drei Schaltwellenhebeln 24, drei Kontaktträgern 16, drei Koppelstangen, von welchen jeweils eine mit einem Schaltwellenhebel 24 und einem Kontaktträger 16 über Gelenke verbunden ist, jeweils einem Kontaktelement 18 für jeden Strompfad mit einer Gelenkverbindung zu jeweils einem Kontaktträger 16 und jeweils einer feststehenden Kon- takteinrichtung 12 für jeden Strompfad. Ein auf die Schalt- welle 20 wirkendes Antriebsmoment wird über die kinematische Kette auf die Kontaktträger 16 und die Kontaktelemente 18 ü- bertragen. Umgekehrt erfolgt die Übertragung von auf die Kon-
taktelemente 18 rückwirkenden Kräften über die Kinematik auf die Schaltwelle 20. Die Größe des rückwirkenden Moments Mr ist in diesem Beispiel abhängig von der Lage der Ankoppel- punkte 26 in den Schaltwellenhebeln 24 beziehungsweise von der Stellung der Schaltwellenhebel 24 auf der Schaltwelle 20.
Eine Variation der Lage des Ankoppelpunktes 26 in Bezug auf die Schaltwellenachse bewirkt eine Variation der Länge des wirksamen Hebelarms hw eines rückwirkenden Moments Mr und so- mit der Größe dieses Moments bei gleicher rückwirkender Kraft Fr. In den Phasen R und T wurde auf diese Weise der wirksame Hebelarm hw, red eines rückwirkenden Moments Mr, red gegenüber der Phase S reduziert und somit auch die Größe des rückwirkenden Moments selbst. In diesem Fall wird die Schaltwellentorsion sowie die Verformung der kraftübertragenden Elemente so weit herabgesetzt, dass die zum Abheben der jeweiligen Kontaktele- mente 18 von den feststehenden Kontakteinrichtungen 12 füh- renden Bewegungen der Kontaktträger 16 reduziert werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Stoßkurzschlussstromtragfähigkeit in den entsprechenden Phasen. Die geänderten Lagen der Ankop- pelpunkte 26 würden bei Koppelstangen gleicher Länge zu von- einander abweichenden Winkelstellungen der Kontaktträger 16 der Phasen R und T gegenüber dem der Phase S führen. Zum Aus- gleich dieses Effekts wurde in Figur 2 daher für die äußeren Phasen eine andere (kürzere) Koppelstangenlänge gewählt als für die innere Phase, so dass die drei Kontaktträger 16 bei gleicher Schaltwellenstellung dieselben Winkelstellungen auf- weisen. Möglich ist auch, an Stelle dessen die Ankoppelpunkte 26 in den äußeren Phasen entlang der Längsachse der Schalt- wellenhebel 24 weiter in Richtung der Schaltwellenachse zu verlegen, um in allen Phasen mit gleicher Koppelstangenlänge arbeiten zu können.
Figur 3 zeigt schematisch die Winkelstellung ei des Gelenks in dem Ankoppelpunkt 26 der Phase S (Figur 3a) und die Win- kelstellung 2 der Gelenke in dem Ankoppelpunkt der Phasen R und T (Figur 3b) zum Zeitpunkt des Einschaltens des Leis- tungsschalters 10. Die unterschiedlichen Winkelstellungen wurden dadurch erreicht, dass bei gleicher Koppelstangenlänge die Ankoppelpunkte 26 in den äußeren Phasen gegenüber dem An- koppelpunkt der mittleren Phase entlang der Längsachse der Schaltwellenhebel weiter in Richtung der Schaltwellenachse verlegt wurden. Es ergibt sich in Figur 3b ein stumpferer Winkel 2 zwischen Schaltwellenhebel 24 und Koppeleinrichtung 22. Bei einem gleichen Vorschubweg der Koppeleinrichtung 22 in Figur 3b ist das vom Antrieb der Schaltwelle zu überwin- dende Moment, das aus der Gesamtkraft des Schaltpols resul- tiert, geringer als in Figur 3a. Hierdurch wird ein erleich- tertes Loslaufen des Antriebs zum Zeitpunkt des Einschaltens erreicht. Somit ist eine Reduzierung der erforderlichen An- triebsenergie möglich. Dies erlaubt eine geringere Dimensio- nierung der Antriebs-, Übertragungs-, Verklinkungs-und Kon- takteinrichtungen. Das erleichterte Loslaufen führt weiterhin zu einer höheren Schaltwellengeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Kontaktberührung. Somit ist ein verbessertes Durchschalt- vermögen gegen elektrodynamische Stromschleifenkräfte gege- ben.