Die Erfindung betrifft ein Leistungsschalter mit einer Nennstromkontaktanordnung, welche relativ zueinander beweglich angeordnet einen Nennstromkontakt und einem Nennstromgegenkontakt aufweist, sowie mit einer Lichtbogenkontaktanordnung, welche relativ zueinander beweglich angeordnet einen Lichtbogenkontakt und einen Lichtbogengegenkontakt aufweist.
Aus der
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik, wie im
Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter umfasst eine Nennstromkontaktanordnung, welche relativ zueinander beweglich angeordnet einen Nennstromkontakt und einem Nennstromgegenkontakt aufweist, und eine Lichtbogenkontaktanordnung, welche relativ zueinander beweglich angeordnet einen Lichtbogenkontakt und einen Lichtbogengegenkontakt aufweist. Außerdem umfasst er eine über ein Betätigungsglied antreibbare Kinematik. Die Kinematik umfasst einen mit dem Betätigungsglied wenigstens mittelbar verbundenen ersten Hebel, der um einen Schaltdrehpunkt drehbar gelagert ist und mit dem Nennstromkontakt zum Bewegen desselben wenigstens mittelbar verbunden ist. Außerdem umfasst sie einen mit dem Betätigungsglied wenigstens mittelbar verbundenen zweiten Hebel, der sowohl um einen ersten verlagerbaren Drehpunkt als auch um einen zweiten verlagerbaren Drehpunkt drehbar gelagert ist. Dieser Hebel ist im Bereich des ersten Drehpunktes mit dem Lichtbogenkontakt zum Bewegen desselben durch eine Verlagerung des ersten Drehpunktes wenigstens mittelbar verbunden. Im Bereich des zweiten Drehpunktes wirkt der zweite Hebel bei Verlagerung auf ein Federelement ein. Das Federelement ist derart ausgestaltet, dass es einem Verlagern des zweiten Drehpunktes eine vorbestimmte Kraft entgegensetzt, die größer ist als die zum Verlagern des ersten Drehpunktes bis zu Kontaktherstellung zwischen dem Lichtbogenkontakt und dem Lichtbogengegenkontakt aufzubringende Kraft. Im erfindungsgemäßen Leistungsschalter kann die Lichtbogenkontaktanordnung insbesondere als Vakuumkontakt mit einem Schaltpol als Lichtbogenkontakt und einem Gegenpol als Lichtbogengegenkontakt ausgebildet sein.
Im erfindungsgemäßen Leistungsschalter ermöglicht es die Kinematik, dass in Abhängigkeit von einer Ausschaltbewegung des Betätigungsgliedes zuerst eine Trennung des Nennstromkontaktes von dem Nennstromgegenkontakt erfolgt, bevor eine Trennung des Lichtbogenkontakts von dem Lichtbogengegenkontakt erfolgt. Gleichzeitig ermöglicht sie, dass in Abhängigkeit von einer Einschaltbewegung des Betätigungsgliedes zuerst eine elektrische Verbindung des Lichtbogenkontaktes mit dem Lichtbogengegenkontakt hergestellt wird, bevor eine elektrische Verbindung des Nennstromkontaktes mit dem Nennstromgegenkontakt hergestellt wird. Mit Hilfe des zweiten Hebels mit dem ersten und dem zweiten Drehpunkt sowie mit Hilfe des Federelementes kann nämlich ein Bewegungsablauf realisiert werden, in dem bei einer Einschaltbewegung des Betätigungsgliedes zuerst sowohl der Lichtbogenkontakt als auch der Nennstromkontakt eine Hubbewegung erfahren. Nachdem der Lichtbogenkontakt eine Hubstrecke zurückgelegt hat, die zu einer Kontaktierung führt, steigt der Widerstand gegen ein weiteres Bewegen des Lichtbogenkontaktes in dieselbe Richtung. Wenn das Federelement so vorgespannt ist, dass die Federkraft, die einer Verlagerung des zweiten Drehpunktes entgegenwirkt geringer ist, als der Widerstand gegen ein weiteres Bewegen des Lichtbogenkontaktes, kommt es nun statt einer weiteren Verlagerung des ersten Drehpunktes zu einer Verlagerung des zweiten Drehpunktes gegen die Federkraft. Als Folge davon erfolgt bei Fortsetzen der Einschaltbewegung des Betätigungsgliedes keine weitere Hubbewegung des Lichtbogenkontaktes, aber eine weitere Hubbewegung des Nennstromkontaktes. Wenn also der zum Schließen des Lichtbogenkontaktes nötige Hub kleiner ausgestaltet ist als der zum Schließen des Nennstromkontaktes nötige Hub, schließt der Lichtbogenkontakt bei einem Einschaltvorgang vor dem Nennstromkontakt. Bei einer Ausschaltbewegung des Betätigungsgliedes ist der Bewegungsablauf umgekehrt, so dass der Nennstromkontakt vor dem Lichtbogenkontakt trennt. Dazu können der erste Hebel Teil eines ersten Hebelstranges und der zweite Hebel Teil eines zweiten Hebelstranges sein. Die Hebelstränge umfassen jeweils den Schaltdrehpunkt als einen Drehpunkt und sind mit dem Betätigungsglied einerseits und dem Nennstromkontakt bzw. dem Lichtbogenkontakt andererseits verbunden. Sie sind derart aufeinander abgestimmt, dass der Hub des ersten Hebelstranges größer ist als der Hub des ersten Drehpunktes bei seiner Verlagerung.
Die Lichtbogenkontaktanordnung kann als Vakuumschalter mit einem Schaltpol als Lichtbogenkontakt und einem Gegenpol als Lichtbogengegenkontakt ausgebildet sein. Der Schaltpol und der Gegenpol können dabei insbesondere als Prallkontakte ausgebildet sein, d.h. sie weisen Prallflächen auf, die zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes aneinander stoßen und so einer weiteren Hubbewegung des Lichtbogenkontaktes, also des Schaltpos, einen sehr hohen Widerstand entgegensetzen, dem lediglich durch die mechanische Stabilität des Vakuumschalters Grenzen gesetzt sind. Zudem kann durch das weitere Spannen des Federelementes bei Verlagern des zweiten Drehpunktes der Schaltdruck der Prallflächen aufeinander erhöht werden, was die Zuverlässigkeit der Kontaktierung erhöht. Der Schaltpol und Gegenpol des Vakuumschalters können vorteilhaft gesinterte Werkstoffe mit Kupfer und/oder Chrom enthalten.
Die Schaltreihenfolge im erfindungsgemäßen Leistungsschalter ist gegenüber anderen Schaltreihenfolgen vorteilhaft. Beim Ausschalten kommutiert der Ausschaltstrom vom Nennstromkontakt zum Lichtbogenkontakt. Somit brennt der beim Ausschalten von hohen Strömen entstehende Lichtbogen zwischen den Lichtbogenkontakten und bei Verwendung eines Vakuumkontaktes als Lichtbogenkontakt in der Vakuumkammer der Vakuumröhre. Auf Grund des Materials der Lichtbogenkontakte, der besonderen Geometrie der Lichtbogenkontakte sowie ggf. des Vakuums können hohe Ströme ein- bzw. ausgeschaltet werden. Einem Schmelzen der Lichtbogenkontakte kann durch Materialien mit hohen Schmelztemperaturen entgegengewirkt werden. Im Vakuum wird zudem ein Oxidieren und somit Abbrennen der Kontakte vermieden. Beim Einschalten entsteht ein Vorüberschlag, d.h. ein Lichtbogen, der kurz vor dem endgültigen Schließen der Kontakte auftritt, zwischen den Lichtbogenkontakten, wo er gut zu beherrschen ist. Insbesondere bei Verwendung eines Vakuumkontaktes als Lichtbogenkontakt ist er in der Vakuumröhre gut beherrschbar. Im weiteren Verlauf der Einschaltbewegung schließt dann der Nennstromkontakt und der Strom kommutiert vom Lichtbogenkontakt zum Nennstromkontakt. Sowohl der beim Ausschalten entstehende Lichtbogen als auch der Vorüberschlag entstehen daher zwischen den Lichtbogenkontakten, wo sie gut beherrschbar sind, insbesondere bei Verwendung eines Vakuumkontaktes.
Als Federelement des erfindungsgemäßen Leistungsschalters eignet sich bspw. eine Druckfeder die zwischen dem zweiten Hebel im Bereich des zweiten Drehpunktes und einem Widerlager, bspw. ein Federteller, angeordnet ist. Der Leistungsschalter kann zudem eine Federführung und ein gegenüber der Federführung verschiebbares und dem Widerlager gegenüberliegendes Federlager aufweisen, auf das der zweite Hebel bei einer Verlagerung des zweiten Drehpunktes derart einwirkt, dass ein Spannen der Feder erfolgt. Wenn das Widerlager entlang der Federführung verschieb- und festlegbar ausgestaltet ist, kann durch Verschieben des Widerlagers der Hub für die Verlagerung des zweiten Drehpunktes und damit auch der Hub für die Schaltbewegung des Lichtbogenkontaktes verändert werden.
Der erfindungsgemäße Leistungsschalter kann derart ausgestaltet sein, dass das Betätigungsglied über eine Lasche gelenkig mit dem zweiten Hebel verbunden ist, so dass eine in dem Federelement gespeicherte Federenergie nicht oder nur teilweise auf das Betätigungsglied zurückwirken kann.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Leistungsschalters ist der Nennstromkontakt wenigstens teilweise als Hohlzylinder ausgeformt und der Lichtbogenkontakt ist wenigstens teilweise insbesondere radialzentrisch, innerhalb des Nennstromkontakts angeordnet, so dass ein Schaltbewegen des Nennstromkontaktes koaxial zu einem Schaltbewegen des Lichtbogenkontaktes erfolgen kann. Durch diese Ausgestaltung kann ein gleichgerichtetes Bewegen sowohl des Nennstromkontaktes als auch des Lichtbogenkontaktes des Leistungsschalters erfolgen, ohne dass sich diese gegenseitig behindern. Alternativ zu einem zylinderförmigen Nennstromkontakt sind auch andere geometrische Formen eines Nennstromkontaktes und eines zu dem Nennstromkontakt entsprechend ausgebildeten Nennstromgegenkontaktes denkbar.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Der Nennstromkontakt 8 ist hohlzylinderförmig ausgebildet. In dem von dem Nennstromkontakt 8 zylinderförmig eingeschlossenen Hohlraum ist radialzentrisch - in einer senkrecht zur Längsachse 40 verlaufenden Querschnittsebene - der Vakuumschalter 2 angeordnet, welcher sich parallel zur Längsachse 40 erstreckt.
Der Schaltpol 6 ist entlang der Längsachse 40 beweglich ausgebildet. Der Schaltpol 6 und der Gegenpol 4 weisen jeweils eine zum elektrischen Kontaktieren vorgesehene Schaltfläche auf, wobei die Schaltflächen jeweils senkrecht zur Längsachse 40 und zueinander planparallel angeordnet sind. Der Schaltpol 6 und der Gegenpol 4 sind gemeinsam von einem evakuierten Raum umgeben, welcher durch ein Vakuumgehäuse 5 eingeschlossen ist.
Der Leistungsschalter 1 weist eine Kinematik auf, welche mit dem Schaltpol 6 mindestens mittelbar und mit dem Nennstromkontakt 8 mindestens mittelbar verbunden ist. Die Kinematik weist auch einen Schalthebel 12 mit einem abgewinkelten Bereich auf, wobei im Bereich eines Scheitels des so gebildeten Winkels eine mittlere Schwenkwelle 13 angeordnet ist, so dass der Schalthebel 12 um die mittlere Schwenkwelle 13 schwenkbar ist. Eine durch die Schwenkwelle gebildete Schwenkachse verläuft senkrecht zur Längsachse 40 des Leistungsschalters. Die mittlere Schwenkwelle 13 durchläuft auch eine Befestigungslasche 15, welche an einem zu der mittleren Schwenkwelle 13 abgewandten Ende beweglich an einem Gehäuse befestigt werden kann. Der Schalthebel 12 ist über die Schwenkwelle 13 mit einem Schaft 11 verbunden, wobei der Schaft 11 sich parallel zu der Längsachse 40 erstreckt. Die Schwenkwelle 13 durchläuft den Schaft 11 im Bereich eines Schaftendes des Schaftes 11, so dass der Schaft 11 um eine durch die Schwenkwelle 13 gebildete Achse schwenkbar ist.
Der Schaft 11 durchläuft im Bereich eines - in dieser Abbildung nicht dargestellten - Durchbruchs eine Wand das Vakuumgehäuses 5 und ist innerhalb des Vakuumgehäuses 5 mit dem Schaltpol 6 verbunden. Der Schalthebel 12 ist krafteingangsseitig im Bereich eines Endes über ein Gelenk 16 mit der Lasche 14 verbunden. Die Lasche 14 ist im Bereich eines von dem Gelenk 16 abgewandten Endes mit einem Betätigungsglied 18 schwenkbar verbunden. Das Betätigungsglied 18 ist als im wesentlichen dreieckförmige Platte ausgebildet, wobei im Bereich eines Dreieckscheitels eine Schalterwelle 22 senkrecht zu einer Dreiecksplattenebene angeordnet ist, so dass sich die Dreiecksplatte um die Schalterwelle 22 schwenken lässt. Das Betätigungsglied 18 ist im Bereich einer Dreiecksschenkelspitze mit der Lasche 14 beweglich verbunden. Das Betätigungsglied 18 ist im Bereich einer der mit der Lasche 14 verbundenen Dreiecksschenkelspitze gegenüberliegenden Dreiecksschenkelspitze mit einer Schaltstange 20 verbunden. Die Schaltstange 20 kann beispielsweise durch eine Hydraulik, einen Federspeicher oder eine Kinoymatik oder einer vergleichbaren Antriebsvorrichtung angetrieben sein.
Die Schalterwelle 22 ist mit einem Hebel 24 starr verbunden, wobei der Hebel 24 sich senkrecht zur Wellenachse der Schalterwelle 22 erstreckt und somit beim Drehen der Schalterwelle 22 durch das Betätigungsglied 18 um die durch die Schalterwelle 22 gebildete Schwenkachse geschwenkt werden kann.
Der Hebel 24 ist an einem von der Schalterwelle 22 abgewandten Ende mit einem Laschenende einer Lasche 26 schwenkbar verbunden, wobei die Lasche 26 im Bereich eines - von dem mit dem Hebel 24 schwenkbar verbundenen Ende - abgewandten Endes über eine Schwenkwelle 27 und über ein Verbindungsstück an einer an dem Nennstromkontakt 8 angeformten, sich radial nach innen erstreckenden Rippe 29 angekoppelt, und somit mit dem Nennstromkontakt 8 wirksam verkoppelt ist:
Eine durch die Schwenkwelle 27 gebildete Schwenkachse verläuft senkrecht zu der Längsachse 40 des Leistungsschalters 1.
Beim Bewegen der Schaltstange 20 kann somit der Nennstromkontakt - angetrieben über das Betätigungsglied 18, den Hebel 24, und die Lasche 26 - parallel zur Längsachse 40 des Leistungsschalters 1 hin- und herbewegt werden.
Der Schalthebel 12 ist im Bereich eines zu dem Gelenk 16 abgewandten Endes mit einer - in diesem Ausführungsbeispiel kugelgelagerten - äußere Schwenkwelle 36 schwenkbar verbunden. Die Schwenkwelle 36 ist mit einer Federführung 30 verbunden und verläuft durch einen langlochförmigen Durchbruch der Federführung 30. Die Federführung 30 ist parallel zur Längsachse 40 und innerhalb einer um die Federführung 30 umlaufend gewendelten Schaltdruckfeder 28 angeordnet.
Die Schaltdruckfeder 28 ist im Bereich ihres dem Hebel 12 zugewandten Endes durch einen längs der Federführung beweglichen Federteller 34 gesichert. An ihrem von dem ersten Federteller 34 abgewandten Ende ist sie durch einen zweiten Federteller 35 gesichert. Der zweite Federteller 35 ist mit der Federführung 30 verschieb- und festlegbar verbunden, wohingegen der Federteller 34 parallel zur Längsachse 40 auf der Federführung 30 verschiebbar angeordnet ist.
Im Bereich äußerer Enden der Welle 36 sind zwei Räder 37 angeordnet, wobei eine Stirnfläche des ersten Federtellers 34, angetrieben durch eine Vorspannung der Kontaktdruckfeder 28, gegen einen der Stirnfläche des ersten Federtellers 34 zugewandten Umfangspunkt der auf der Welle 36 angeordneten Räder 37 drückt. Die Federkraft der Schaltdruckfeder 28 wirkt somit senkrecht auf die Schwenkwelle 36.
Die Federkraft der Schaltdruckfeder 28 wirkt somit auch über den Schalthebel 12 auf die Schwenkwelle 13, und wirkt somit anteilig - gemäß eines Kräfteparallelogramms - entlang der Längsachse 40 auf den Schaft 11 und senkrecht zu einer Schaltpolfläche des Schaltpols 6. Der Schaltpol 6 ist auf diese Weise mit der Schaltdruckfeder 28 wirkverbunden.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Kräfteparallelogramm - versucht auch ein Teil der durch die Schaltdruckfeder 28 erzeugten Federkraft über den Schalthebel 12 und die Lasche 14 auf das Betätigungsglied 18 zurückzuwirken. Dieses Zurückwirken wird jedoch dadurch verhindert, dass das durch den Schalthebel 12 und die Lasche 14 und das Gelenk 16 gebildete Schwenkgelenk im Bereich des Schwenkgelenks 16 abwinkelt und somit nicht - oder nur teilweise auf das Betätigungsglied 18 zurückwirken kann.
Die Schaltstange 20 kann zum Einschalten des Leistungsschalters 1 in Richtung 21 bewegt werden. Das Betätigungsglied 18 schwenkt um die Schalterwelle 22 und bewegt über den Hebel 24, die Lasche 26 und die Schwenkwelle 27 den Nennstromkontakt 8 parallel zur Längsachse 40. Gleichzeitig wird beim Einschalten zu Beginn der beschriebenen Bewegung des Nennstromkontakts 8 der Schaltpol 6 des Vakuumschalters 2 über die Schalterwelle 22, die Lasche 14, den Hebel 12 und den Schaft 11 angetrieben. Der Schaft 11 und der mit dem Schaft 11 verbundene Schaltpol 6 werden somit parallel zur Längsachse 40 bewegt. Der Schalthebel 12 wird beim Einschalten durch das Betätigungsglied 18 um die kugelgelagerte äußere Schwenkwelle 36 gedreht. Wenn die Schaltstange 20 etwa die Hälfte eines vorgesehenen Gesamthubes zurückgelegt hat, berührt der Schaltpol 6 des Vakuumschalters 2 den ortsfest angeordneten Gegenkontakt 4 des Vakuumschalters 2. Der Vakuumschalter 2 ist nun elektrisch leitend geschlossen.
Im weiteren Verlauf einer durch die Schaltstange 20 bewirkten Einschaltbewegung wird der Schalthebel 12 um die mittlere Schwenkwelle 13 gedreht. Durch die über die Schaltstange 20 einwirkende Kraft wird nun über die Schwenkwelle 36 und den Federteller 34 die Schaltdruckfeder 28 komprimiert und somit Federenergie in der Schaltdruckfeder 28 gespeichert.
Der Gegenpol 4 des Vakuumschalters 2 und der Schaltpol 6 des Vakuumschalters 2 werden nun sowohl durch die Federkraft der Kontaktdruckfeder 28 als auch durch die über die Schaltstange 20 einwirkende Kraft parallel zur Längsachse 40 zusammengepresst.
In der dargestellten Ausführungsform des Leistungsschalters 1 ist der Hub des Schaltpols 6 des Vakuumschalters 2 veränderbar ausgebildet. Dazu ist der zweite Federteller 35 mit einer sich parallel zur Längsachse 40 erstreckenden Schaltstange verbunden, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Augenschraube 32 ausgebildet ist und durch einen Durchbruch eines ortsfest angeordneten Winkels 31 verläuft. Die Augenschraube kann über ein Fixiermittel, beispielsweise zwei - in diese Abbildung nicht dargestellte - Fixiermuttern in ihrer Position entlang der Längsachse 40 fixiert werden. Zum Fixieren wird die Augenschraube 32, und damit die Position des mit ihr in Axialrichtung unbeweglich verbundenen zweiten Federtellers 35, mittels der beiden Muttern, von denen sich je eine auf jeder Seite des Winkels befindet, relativ zur Federführung 30 festgelegt.
Wenn die Augenschraube 32 parallel zur Längsachse 40 vom Federteller 34 wegbewegt wird, dann wird über die Federführung 30 der Schalthebel 12 bewegt und somit der Hub des Schaltpols 6 vergrößert.
Ein Ausschalten des Leistungsschalters 1 wird durch ein Ausschaltbewegen der Schaltstange 20 in Ausschaltrichtung 19 bewirkt. Dadurch erfährt der Nennstromkontakt 8 eine Ausschaltbewegung, während gleichzeitig ein Entspannen der Druckfeder 28 durch ein Drehen des Hebels 12 um den mittlere Schwenkwelle 13 erfolgt. In dieser Phase erfolgt noch keine Ausschaltbewegung des Schaltpols 6. Erst wenn die Druckfeder genug entspannt ist, beginnt sich der Hebel 12 um die äußere Schwenkwelle 36 zu drehen, so dass eine Ausschaltbewegung des Schaltpols 6 herbeigeführt wird. Bei dem Ausschaltbewegen wird also ein Trennen des Schaltpols 6 von dem Gegenpol 4 des Vakuumschalters 2 - angetrieben von dem Betätigungsglied 18, über die Lasche 14, den Schalthebel 12 und den Schaft 11 - zeitlich nach einem Trennen des Nennstromkontaktes 8 von dem Nennstromgegenkontakt 10 bewirkt.
Ein Öffnen des Vakuumschalters 2 wird somit zeitlich nach einem Öffnen des Nennstromschalters, gebildet durch den Nennstromkontakt 8 und den Nennstromgegenkontakt 10, bewirkt. Der Nennstromgegenkontakt 10 ist hier nur abschnittsweise dargestellt. In einer - hier nicht dargestellten - beispielhaften Ausführungsform ist der Nennstromgegenkontakt 10 als ringförmiger, den Nennstromkontakt 8 umgreifender Schleifkontakt ausgebildet.
Die Federführung 30 weist im Bereich eines von dem Federteller 35 abgewandten Endes ein als Durchbruch ausgeführtes Langloch 38 auf. Durch dieses Langloch 38 ist in
Dargestellt ist auch ein Rad 37 mit einem Durchbruch zum Durchführen einer Welle, durch dessen Durchbruch die Schwenkwelle 36 verläuft. Das Rad 37 ist zum Stützen gegen den Federteller 34 vorgesehen.
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