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Dokumentenidentifikation DE4323597C2 22.02.1996
Titel Federspeicherantrieb zum Ein- und Ausschalten eines Leistungsschalters
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bohrdt, Joaquin, 13583 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 09.07.1993
DE-Aktenzeichen 4323597
Offenlegungstag 19.01.1995
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.1996
IPC-Hauptklasse H01H 33/40
IPC-Nebenklasse H01H 3/30   H01H 3/46   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Federspeicherantrieb zum Ein- und Ausschalten eines Leistungsschalters, insbesondere im Kurzunterbrechungsbetrieb, mit einer das Schalten bewirkenden Federenergie, die von einem Antriebsmotor über eine Freilaufkupplung einem einzigen Federspeicher zuführbar ist, und mit einem mit der Federenergie beaufschlagbaren Hebelgetriebe zur Steuerung der Schaltstellen des Leistungsschalters.

In Hoch- und Mittelspannungsnetzen haben Leistungsschalter die Aufgabe, Kurzschlußströme schnell und sicher abzuschalten, um eine Überlastung des Netzes einerseits und der dieses speisenden Generatoren und Transformatoren andererseits zu vermeiden. Die Schaltstellen des Leistungsschalters werden hierzu innerhalb von Millisekunden von der Ein- in die Ausschaltstellung überführt bzw. in vergleichbarer Zeit eingeschaltet. Hierzu wirkt der Leistungsschalter mit Netzschutzgeräten zusammen, die bei einem auftretenden Kurzschluß den Schalterantrieb auslösen. Da in der Regel nicht festgestellt werden kann, ob der Kurzschluß beispielsweise während eines Unwetters nur kurzzeitig oder aber durch einen bleibenden Netzfehler längerfristig auftritt, arbeiten Leistungsschalter in Hoch- und Mittelspannungsnetzen häufig im Kurzunterbrechungsbetrieb, d. h. nach dem Ausschaltsignal des Netzschutzes schaltet der Schalter automatisch wieder ein und wird vom Netzschutz nur unter der Bedingung eines noch andauernden Kurzschlusses erneut und dann bis zur Beseitigung der Störung in die Ausschaltstellung überführt.

Derartige Leistungsschalter halten daher eine für das Ausschalten, das Einschalten und das Wiederausschalten erforderliche Antriebsenergie ständig in Bereitschaftsstellung. Für Federspeicherantriebe wird die das Schalten bewirkende Federenergie bei bekannten Ausführungsformen nach der DE-AS 16 65 492 und DE-AS 16 65 936 von einer die Einschalt- und Ausschaltfeder bildende Drehfeder bereitgestellt, die von einem Antriebsmotor über eine Freilaufkupplung gespannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Federspeicherantrieb der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Steuerung der Federenergie, insbesondere auch im Kurzunterbrechungsbetrieb vereinfacht ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch gelöst, daß die Federenergie von einer in drei Stufen vorspannbaren und zwischen zwei axial beweglichen Federlagern eingespannten Schraubenfeder bereitgestellt ist und daß die beiden Federlager in ihrer der jeweils größeren Federenergie entsprechenden Lage verklinkbar sind und durch ein in Einschaltrichtung starr koppelndes Freilaufgetriebe miteinander verbunden sind.

Durch Anwendung der Erfindung ist nur noch eine Schraubenfeder oder ein Schraubenfederpaket vorgesehen, die die Aufgaben der Einschaltfeder und der Ausschaltfeder oder der beide Federn ersetzenden Drehfeder bei bekannten Federspeicherantrieben übernehmen. Der Platzbedarf ist dementsprechend gering. Die erfindungsgemäße Lehre ist mit jeder vorspannbaren Schraubenfeder realisierbar. Es können also sowohl auf Druck als auch auf Zug vorgespannte Schraubenfedern verwendet werden. Besonders vorteilhaft für einen geringen Platzbedarf ist eine auf Druck vorspannbare Feder vorgesehen. Es ist jedoch im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich, anstelle einer auf Druck vorgespannten Schraubenfeder oder eines Schraubenfederpakets ein Teller- oder Ringfederpaket zu verwenden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Federspeicherantriebs wird jedes Federlager auf dem Ende eines zweiarmigen Hebels schwenkbar befestigt. Dabei kann jeder Hebel an dem dem Federlager gegenüberliegenden Hebelende eine drehbar angeordnete Rolle tragen. Diese Rolle ist vorteilhaft an einem mit einer Kurvenkontur versehenen hohlzylindrischen Rand einer Drehscheibe anliegend angeordnet. Demgemäß verläuft die Drehscheibenachse transversal zur Achse der Rolle.

Die den Rollen zugeordneten Drehscheiben können, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, auf einer gemeinsamen Verbindungswelle verdrehungssteif befestigt sein, wobei zweckmäßig die Kurvenkonturen unterschiedliche Anstiegsflanken aufweisen. Vorteilhaft ist die Verbindungswelle von der Freilaufkupplung des Antriebsmotors koaxial umgeben.

Um die gespeicherte Federenergie möglichst verlustarm zum Ein- und Ausschalten des Leistungsschalters einsetzen zu können, ist der eine der zweiarmigen Hebel mit den Schaltstellen des Leistungsschalters starr bewegungsgekoppelt. Er ist dabei vorteilhaft unmittelbar mit einer ersten Klinke verklinkbar. Diese erste Klinke ist mit Vorteil von einem elektromagnetischen Auslöser betätigbar, wobei der zweiarmige Hebel in der Einschaltlage durch die erste Klinke verklinkt wird.

Der andere der zweiarmigen Hebel kann über seine Rolle mit einer zweiten Klinke verklinkbar sein, die in einer Rast an der der Rolle zugeordneten Drehscheibe eingreift. Diese zweite Klinke ist mit Vorteil mittels eines elektromagnetischen zweiten Auslösers entriegelbar.

Anhand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Federspeicherantriebs nach der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.

In den Fig. 1 bis 7 ist schematisch ein Federspeicherantrieb zum Ein- und Ausschalten eines Leistungsschalters 1 dargestellt, der mittels einer das Schalten bewirkenden Federenergie von der Ausschaltstellung in die Einschaltstellung und von der Einschaltstellung in die Ausschaltstellung überführbar ist.

Der Leistungsschalter 1 weist eine oder mehrere Schaltstellen auf, die über ein Hebelgetriebe 2 steuerbar sind. In Abhängigkeit von der Lage des Hebelgetriebes 2 befindet sich der Leistungsschalter 1 entweder in der Ausschaltstellung 3 oder in der Einschaltstellung 4. Dies wird durch eine Schaltstellenanzeige 5 außerhalb des Leistungsschalters 1 optisch angezeigt. Die das Schalten bewirkende Federenergie wird von einer Schraubenfeder 6 bereitgestellt. Sie ist zwischen zwei Federlagern 7 und 8 unter Druck vorgespannt, die auf den Enden 9, 10 der zweiarmigen Hebel 11, 12 schwenkbar befestigt sind. Die zweiarmigen Hebel 11, 12 sind auf einem gemeinsamen starren Rahmen 13 schwenkbar gelagert, wobei ihre Lagerstellen 14, 15 mit Abstand zueinander angeordnet sind. Der zweiarmige Hebel 12 bildet die Abtriebsseite des Federspeicherantriebs und ist mit dem Hebelgetriebe 2 einerseits und der Schaltstellenanzeige 5 andererseits starr gekoppelt.

Der zweiarmige Hebel 11 bildet die Spann- bzw. Betätigungsseite des Kederspeicherantriebs. Er ist mit einer elektromagnetisch auslösbaren Klinke 16 koppelbar, während der zweiarmige Hebel 12 mittels einer elektromagnetisch betätigbaren Klinke 17 verklinkbar ist. In der in Fig. 1 dargestellten Ruhestellung befindet sich der Leistungsschalter 1 in der Ausschaltstellung und die Schraubenfeder 6 in einer relativ entspannten, jedoch vorgespannten Lage, die der Länge L entspricht.

Zur Überführung des Leistungsschalters 1 aus der Ruhestellung in eine Einschalt-Bereitstellung, in der er elektrisch noch ausgeschaltet ist, wird, wie die Fig. 2 zeigt, ein Antriebsmotor 18 über ein Getriebe 19 zum Spannen der Feder 6 wirksam. Der Antriebsmotor 18 dreht hierzu den zweiarmigen Hebel 11, der über sein Ende 9 das Federlager 7 nach links bewegt, dabei die Federlänge L verkürzt und eine bestimmte Federenergiemenge in den Speicher einspeichert. Dabei wird in der der Fig. 2 entsprechenden Stellung der Feder 6 der zweiarmige Hebel 11 von der Klinke 16 verklinkt und danach der Motor 18 ausgeschaltet. In dieser Position befindet sich der Leistungsschalter 1, wie die Schaltstellenanzeige 5 zeigt, elektrisch in der Ausschaltstellung.

Zur Überführung des Leistungsschalters 1 in die Einschaltstellung wird der zweiarmige Hebel 11, wie die Fig. 3 zu erkennen gibt, von der Klinke 16, die elektromagnetisch betätigt wird, entriegelt, so daß er unter der Kraft der gespeicherten Federenergie in Pfeilrichtung 20 verschwenkt wird, bis das Ende 9 gegen einen ortsfesten Anschlag 21 anschlägt. Im Verlauf der sich durch die Schwenkbewegung in Pfeilrichtung 20 ergebenden Bewegung wird im Zusammenhang mit einem nur in der Einschaltrichtung wirkenden Koppelglied 22 wird der zweiarmige Hebel 12 in Pfeilrichtung 23 verschränkt, der den Schalter 1 und den Schaltstellenanzeiger 5 in die Einschaltlage überführt. Der Hebel 12 ist in der Einschaltlage durch die Klinke 17 verklinkt. Ersichtlich wird während dieses Bewegungsablaufs die Feder 6 nur zu einem Teil entladen, weil das Federlager 8 sich, allerdings um einen geringeren Betrag als der des Federlagers 7, nach rechts bewegt.

Nach Erreichen der Einschaltstellung wird der Hebel 11, wie die Fig. 4 zeigt, vom Antriebsmotor 18 und seinem Getriebe 19 erneut in Pfeilrichtung 19a verschwenkt und von der Klinke 16 verriegelt. Dabei erhält die Feder 6 ihre maximale zum Schalten verfügbare Energie. Beide Hebel 11, 12 sind von ihren ortsfesten Anschlägen 21 und 21a abgehoben und verklinkt.

Zum Überführen des eingeschalteten Leistungsschalters 1 in die Ausschaltlage wird, wie die Fig. 5 zeigt, auf den elektromagnetischen Auslöser 17a ein Signal gegeben, der die Klinke 17 betätigt. Die Klinke 17 gibt den zweiarmigen Hebel 12 frei, so daß die Feder 6 sich über das Federlager 8 und das Ende 10, welches gegen den Anschlag 21a fährt, entlädt und den Hebel 12 in Pfeilrichtung 23a betätigt. Dabei wird wegen der im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Zwangskopplung über das Hebelgetriebe 2 der Leistungsschalter 1 ausgeschaltet. Ersichtlich bleibt der Hebel 11 in dieser Ausschaltlage in seiner von der Klinke 16 verriegelten Stellung, d. h. der Federspeicherantrieb ist weiterhin mit einer solchen Energie geladen, daß eine Wiedereinschaltung, sei es im normalen Schaltbetrieb, sei es im Kurzunterbrechungsbetrieb, möglich ist. Diese Einschaltung wird durch Lösen der Klinke 16, wie die Fig. 6 zeigt, bewirkt, die den Hebel 11 löst, so daß die Energie der Feder 6 erneut über den Hebel 11 und das nur in Einschaltrichtung wirkende Koppelglied 22 zu einer Verdrehung des Hebels 12 und damit zum Einschalten bzw. Wiedereinschalten führt.

Am Ende der Bewegung des Hebels 11 in Pfeilrichtung 20 bzw. des Hebels 12 in Pfeilrichtung 23 wird der Hebel 12 von der Klinke 17 erneut verriegelt und in der Einschaltstellung fixiert.

Sofern im Kurzunterbrechungsbetrieb ein sofortiges Ausschalten aufgrund eines weiter bestehenden Kurzschlusses im Netz erforderlich ist, löst der Netzschutz den elektromagnetischen Auslöser 17a erneut aus, so daß seine Klinke 17 den Hebel 12 freigibt. Dabei wird die restliche Energie der Feder 6 zum Ausschalten abgegeben, so daß der Federspeicherantrieb vollständig entladen ist. Diese für die Kurzunterbrechung wesentliche Betriebsweise ist in Fig. 7 dargestellt. Die darin dargestellte Stellung der beweglichen Teile des Federspeicherantriebs entspricht der in Fig. 1, aus der der Federspeicherantrieb in seine unterschiedlichen Betriebsstellungen mit verschiedenen Lagen der zweiarmigen Hebel 11 und 12, wie zuvor beschrieben, erneut überführbar ist.

Ersichtlich ist die Energie der Feder 6 durch ein zweimaliges Spannen seitens des Antriebsmotors 18 und seines Getriebes 19 in drei Stufen abrufbar.

Das anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellte Wirkungsschema wird durch eine bevorzugte konstruktive Ausführung des erfindungsgemäßen Federspeichers gemäß den Fig. 8 bis 11 realisiert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die in der Fig. 8 dargestellte Position der beweglichen Teile entspricht dem Wirkungsschema nach Fig. 1, d. h. der Leistungsschalter 1 befindet sich in der Ausschaltstellung, und zwar in seiner Ruhelage. Zum Überführen des Leistungsschalters 1 in eine Einschalt-Bereitschaftsstellung wird der Antriebsmotor 18 eingeschaltet oder seine Welle 18a über eine Handkurbel 18b angetrieben. Dabei wird die Bewegung der Welle 18a über das Getriebe 19 einer Freilaufkupplung 19b erteilt, die in Pfeilrichtung 30 zwangsweise verdreht wird. Die Freilaufkupplung 19b sitzt auf einer Welle 31. Bei einem Antrieb der Freilaufkupplung 19b in Pfeilrichtung 30 ist ein Drehmomentenschluß zur Welle 31 erzielt, so daß sich auch die Welle 31 zwangsweise in Pfeilrichtung 30 mitdreht. Die Welle 31 sitzt in ortsfesten Lagern 32, 33 und trägt an ihren freien Enden Drehscheiben 34, 35 verdrehungssteif. Die Drehscheiben 34, 35 haben eine hohlzylindrische, axial vorspringend verlaufende Kontur 36, 37, die mit je einer Rolle 38, 39 zusammenwirken. Die Rolle 38 sitzt an dem dem Federlager 7 abgewandten Ende 40 des zweiarmigen Hebels 11 drehbar gelagert, während die Rolle 39 an dem dem Federlager 8 abgewandten Ende 41 des Hebels 12 drehbar befestigt ist. Das Hebelende 41 hat eine Klinkenfalle 42, die mit der Klinke 17 zusammenwirkt.

Bei einer Verdrehung der Welle 31 in Pfeilrichtung 30 wird auch die Drehscheibe 34 betätigt, so daß sich die Kontur 36 bezüglich der Rolle 38 verändert, wie aus der Fig. 9 in einer Abwicklung hervorgeht. Dadurch wird der Hebel 11 in Pfeilrichtung 19a verschwenkt und die Feder 6 nach links bewegt und gespannt. Nach einem bestimmten Drehwinkel der Drehscheibe 34 verrastet , wie die Fig. 11 zeigt, eine Rastnase 34a an der zugehörigen Klinke 16. Nach Lösen der Klinke 16 treibt die Energie der Feder 6über den Hebel 11, die Rolle 38 und die Kontur 36 die Drehscheibe 34 in Pfeilrichtung 30 an, wobei die drehmomentenschlüssige Kopplung der Freilaufkupplung 19b aufgehoben wird. Im Verlauf dieser von einer Art Federmotor bewirkten Drehung der Welle 31 wird auch die Drehscheibe 35 verdreht, deren Kontur 37 in Fig. 10 schematisch dargestellt ist. Die Kontur 37 verschwenkt über die Rolle 39 den Hebel 12 und überführt ihn mit seiner Klinkenfalle 42 in die Einschaltstellung, in der die Klinke 17 den Hebel 12 verriegelt.

Der weitere Ablauf der Funktion erfolgt wie anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellt.

In Fig. 12 sind die Konturen der beiden Drehscheiben 34, 35 und die mit den Konturen 36, 37 zusammenwirkenden Rollen 38, 39 schematisch dargestellt, wobei die aus den Fig. 1 bis 7 entnehmbaren Schritte mit 51 bis 57 bezeichnet sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Federspeicherantrieb zum Ein- und Ausschalten eines Leistungsschalters, insbesondere im Kurzunterbrechungsbetrieb, mit einer das Schalten bewirkenden Federenergie, die von einem Antriebsmotor über eine Freilaufkupplung einem einzigen Federspeicher zuführbar ist, und mit einem mit der Federenergie beaufschlagbaren Hebelgetriebe zur Steuerung der Schaltstellen des Leistungsschalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Federenergie von einer in drei Stufen vorspannbaren und zwischen zwei axial beweglichen Federlagern (7, 8) eingespannten Schraubenfeder (6) bereitgestellt ist und daß die beiden Federlager (7, 8) in ihrer der jeweils größeren Federenergie entsprechenden Lage verklinkbar sind und durch ein in Einschaltrichtung starr koppelndes Freilaufgetriebe (22) miteinander verbunden sind.
  2. 2. Federspeicherantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß jedes Federlager (7, 8) auf dem Ende (9, 10) eines zweiarmigen Hebels (11, 12) schwenkbar befestigt ist.
  3. 3. Federspeicherantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß jeder Hebel (11, 12) an dem dem Federlager (7, 8) gegenüberliegenden Hebelende eine drehbar angeordnete Rolle (38, 39) trägt.
  4. 4. Federspeicherantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rolle (38, 39) an einem mit einer Kurvenkontur (36, 37) versehenen, hohlzylindrischen Rand einer Drehscheibe (34, 35) anliegend angeordnet ist und die Drehscheibenachse transversal zur Achse der Rolle (38, 39) verläuft.
  5. 5. Federspeicherantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Rollen (38, 39) zugeordneten Drehscheiben (34, 35) auf einer gemeinsamen Verbindungswelle (31) verdrehungssteif befestigt sind.
  6. 6. Federspeicherantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Kurvenkonturen (36, 37) unterschiedliche Anstiegsflanken aufweisen.
  7. 7. Federspeicherantrieb nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungswelle (31) von der Freilaufkupplung (19b) des Antriebsmotors (18) koaxial umgeben ist.
  8. 8. Federspeicherantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine (12) der zweiarmigen Hebel (11, 12) mit den Schaltstellen des Leistungsschalters (1) starr bewegungsgekoppelt ist.
  9. 9. Federspeicherantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiarmige Hebel (12) unmittelbar mit einer ersten Klinke (17) verklinkbar ist.
  10. 10. Federspeicherantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste der Klinken (17) von einem elektromagnetischen Auslöser (VA) betätigbar ist und den zweiarmigen Hebel (12) in der Einschaltlage verklinkt.
  11. 11. Federspeicherantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß der andere (11) der zweiarmigen Hebel (11, 12) über seine Rolle (36) mittels einer zweiten Klinke (16) verklinkbar ist, die in eine Rast (34) an der der Rolle (36) zugeordneten Drehscheibe (34) eingreift.
  12. 12. Federspeicherantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Klinke (16) mittels eines elektromagnetischen zweiten Auslösers (VE) entriegelbar ist.






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