Aufbau und Funktionsprinzip des ABB VD4-Leistungsschalters

Der VD4Der bekannte Mittelspannungs-Leistungsschalter VD4 von ABB wurde weltweit fast eine Million Mal verkauft. Trotz seiner Zuverlässigkeit treten Störungen auf, insbesondere im Betätigungsmechanismus. Das Wartungspersonal ist auf das ABB-Handbuch angewiesen, detaillierte Anleitungen sind jedoch rar. Durch die Zerlegung eines ausgemusterten VD4 liefert der Autor Erkenntnisse, die die praktische Arbeit erleichtern.

Der VD4-Mechanismus verfügt über eine planare Spiralfeder und eine Hauptwelle mit mehrstufiger Auslösung zur Positionserhaltung und -umwandlung, die über einen Nockenhebel ausgegeben wird.

1. Energiespeicherung:

Der VD4 verwendet stabile, ebene Spiralfedern, wodurch die Effizienz des Mechanismus im Vergleich zu herkömmlichen Federn verbessert wird.

Bearbeiteter Text:

Abbildung 1: Ebene Spiralfeder

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist ein Ende der Spiralfeder an der Hauptwelle befestigt, das andere am Federgehäuse. Während der Energiespeicherung bleibt das Ende der Spiralfeder an der Hauptwelle unbewegt, und der Energiespeichermotor bzw. der Energiespeicherhebel dreht das Federgehäuse über die Sperrklinke, die Kette und das große Zahnrad im Uhrzeigersinn (von der linken Seite des Mechanismus aus gesehen; diese Ausrichtung gilt durchgehend) und spannt so die Spiralfeder.

Beim Öffnen und Schließen ist das Gehäuseende der Spiralfeder fixiert. Nach dem Auslösen des Auslösemechanismus dreht sich die Hauptwelle unter dem Einfluss der Spiralfeder im Uhrzeigersinn und gibt dabei ihre gespeicherte Energie ab.

Da der VD4 eine planare Spiralfeder verwendet, unterscheidet sich der Übergang zwischen dem „ungeladenen“ und dem „gespeicherten“ Zustand der Feder von den meisten federbetätigten Mechanismen. Er erfolgt durch eine in einem Spalt fixierte Anordnung im Spiralfedergehäuse, die durch das Zusammenwirken einer Scheibe, eines am Hauptschaft befestigten Hilfsnockens und einer auf der Energiespeicher-Verbindungsstange montierten Rolle ermöglicht wird. Vereinfacht ausgedrückt: Sobald die Energiespeicherung abgeschlossen ist, greift die von der Energiespeicher-Verbindungsstange angetriebene Rolle in eine Kerbe der Scheibe ein. Dadurch dreht sich die Energiespeicher-Verbindungsstange um einen bestimmten Winkel, wodurch der zugehörige Hilfskontakt der Energiespeicherung und die mechanische Anzeige der Energiespeicherung in den Zustand „Energie gespeichert“ schalten. Umgekehrt durchläuft der maximale Radius des Hilfsnockens während des Schließvorgangs des Leistungsschalters den Spalt der Scheibe und drückt die Rolle zurück an den äußeren Rand der Scheibe. Durch diese Aktion wird die Verbindungsstange des Energiespeichers in ihren ursprünglichen Winkel zurückgeführt, wodurch der Hilfskontakt des Energiespeichers und die mechanische Anzeige des Energiespeichers in den Zustand „Keine Energie gespeichert“ zurückkehren.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Zustandsübergangs der Energiespeicherung

Es ist wichtig zu beachten, dass bei einem herkömmlichen VD4-Schalter in geöffneter Position ohne Energiespeicherung eine erhebliche Energiemenge in der planaren Spiralfeder gespeichert bleibt. Daher müssen weiterhin Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

2. Reisemodul

Das Auslösemodul des Weichenantriebs VD4 zeichnet sich durch ein elegantes und unverwechselbares Design aus. Trotz seiner scheinbaren Komplexität lässt sich das gesamte Auslösemodul nach Demontage und Analyse in drei grundlegende Auslösestrukturen unterteilen:

Die Auslösestruktur der ersten Stufe besteht aus der vorderen Rolle und der Bremsscheibe der großen fächerförmigen Platte und fungiert als spezielle „Rast- + Rollen“-Auslösestruktur. Die zweite Stufe umfasst die große fächerförmige Platte und die große Halbwelle und bildet eine typische „Halbwelle + fächerförmige Platte“-Auslösestruktur. Die dritte Stufe beinhaltet die öffnende Halbwelle, die öffnende fächerförmige Platte, die schließende Halbwelle und die schließende fächerförmige Platte, die zusammen zwei Sätze von „Halbwelle + fächerförmige Platte“-Auslöseklammerkombinationen bilden.

Abbildung 3: Strukturdiagramm des Reisemoduls

Das Auslösemodul des VD4-Schalterbetätigungsmechanismus dient sowohl der Halte- als auch der Auslösefunktion. Lassen Sie uns diese Funktionen im Detail betrachten.

Haltefunktion:

Nehmen wir die Schließposition als Beispiel: Sobald der Schließvorgang abgeschlossen ist, gleitet die vordere Rolle der großen fächerförmigen Platte in die entsprechende Nut der Bremsscheibe. In diesem Moment wird die große Halbwelle durch die von den öffnenden und schließenden Sektorplatten gebildete Klemmvorrichtung sicher fixiert. Dadurch wird ein Anheben der vorderen Rollen der großen Sektorplatten verhindert, die Bremsscheibe effektiv verriegelt und die Hauptwelle in der Schließposition gehalten.

Auslösefunktion:

Betrachten wir nun die Auslösefunktion am Beispiel des Öffnungsvorgangs. Erhält der Mechanismus einen Öffnungsbefehl, dreht sich die Öffnungshalbachse um einen bestimmten Winkel im Uhrzeigersinn. Dadurch verliert die Öffnungsfächerplatte ihren temporären Drehpunkt und dreht sich im Uhrzeigersinn, wodurch die zangenartige Stützstruktur der sich öffnenden und schließenden Fächerplatten aufgelöst wird. Infolgedessen dreht sich die große Halbachse unter der Wirkung der Rückstellfeder gegen den Uhrzeigersinn und gibt die große Fächerplatte frei. Diese hebt dann unter der Wirkung der Rückstellfeder die vordere Rolle an und gibt die Bremsscheibe frei. Die Bremsscheibe dreht sich unter der Wirkung der Spiralfeder im Uhrzeigersinn und leitet so den Öffnungsvorgang ein.

Während des Öffnungsvorgangs drückt die Pleuelstange an der Hilfswelle der Öffnungs- und Schließposition (siehe Abbildung 4) die Öffnungssektorplatte zurück und greift wieder in die Öffnungshalbwelle ein. Dadurch wird die durch die Öffnungs- und Schließsektorplatten gebildete klemmenartige Stützstruktur wiederhergestellt und die große Halbwelle in ihren ursprünglichen Winkel zurückgedrückt. Gleichzeitig wirken die Hilfsscheiben beidseitig der Bremsscheibe auf die hinteren Rollen der großen fächerförmigen Platte, die sich mit der Hauptwelle drehen. Dies hebt den hinteren Teil der großen fächerförmigen Platte an und senkt den vorderen Teil ab, wodurch dieser für die nächste Arretierung der vorderen Rolle an der Bremsscheibe vorbereitet wird.

Abbildung 4: Öffnungs- und Schließposition der Hilfswellen-Pleuelstange

Die Hilfswellen-Verbindungsstange spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion des VD4-Schaltmechanismus. Sie gewährleistet den reibungslosen Übergang zwischen Öffnungs- und Schließposition, indem sie die Öffnungs- und Schließsektorplatten verbindet und deren Bewegung ermöglicht.

3. Ausgabemodul

Das Ausgangsmodul des VD4-Betätigungsmechanismus ist eine entscheidende Komponente, die die Drehbewegung der Hauptwelle in die zum Öffnen und Schließen des Leistungsschalters erforderliche lineare Bewegung umwandelt. Es besteht aus drei auf der Hauptwelle montierten Kurvenscheiben und drei Doppelarm-Gelenken am unteren Ende des Mechanismus.

Der Doppelarm-Bewegungsmechanismus fungiert als Hebel mit seinem Drehpunkt in der Mitte. Das vordere Ende des Hebels wird von der Nockenscheibe auf der Hauptwelle beeinflusst, während das hintere Ende mit der isolierenden Zugstange der Vakuumblase und der Öffnungsfeder verbunden ist.

Beim Schließvorgang dreht sich die Nockenscheibe mit der Hauptwelle und drückt auf die Rollen am vorderen Ende des Doppelarm-Bewegungsglieds. Dadurch wird das hintere Ende des Glieds angehoben, die isolierende Zugstange nach oben gedrückt und die dynamischen und statischen Kontakte innerhalb der Vakuumblase geschlossen. Gleichzeitig wird die Öffnungsfeder zusammengedrückt und speichert Energie für den nachfolgenden Öffnungsvorgang.

Umgekehrt dreht sich beim Öffnungsvorgang die Nockenscheibe in die entgegengesetzte Richtung und gibt die Rollen am vorderen Ende des Doppelarm-Bewegungsglieds frei. Dadurch kann sich die Öffnungsfeder ausdehnen, die dynamischen und statischen Kontakte trennen und den Stromkreis öffnen.

4. Verriegelungsfunktion

Der VD4-Betätigungsmechanismus verfügt über eine umfassende Verriegelungsfunktion, die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöht. Im Folgenden werden die einzelnen Verriegelungsfunktionen genauer betrachtet:

1. Verbot des Schließens, wenn sich der Handwagen in mittlerer Position befindet:
   • Ein Schließverriegelungs-Elektromagnet (Y1) ist installiert.
   • Die Endschalter (S8 und S9) sind parallel zum Schließverriegelungselektromagneten geschaltet und bilden so den Schließverriegelungskreis.
   • Wenn sich der Handwagen in der Testposition oder Arbeitsposition befindet, wird entweder S8 oder S9 mit dem Schließverriegelungskreis verbunden, wodurch der Schließverriegelungselektromagnet aufgeladen und die mechanische Verriegelung der Schließhalbachse gelöst wird.
   • Ein Hilfsschalter (S2) im Schließkreis des Leistungsschalters ist in Reihe mit dem beweglichen Eisenkern des Schließverriegelungs-Elektromagneten geschaltet und bereitet den Stromkreis für die Ausführung des oben genannten Schließbefehls vor. Die Maßnahme kombiniert mechanische und elektrische Verriegelung und stellt somit ein umfassendes Verriegelungssystem dar.

Die Beschreibung erläutert die Bedeutung und Funktionsweise des Hilfsschalters S2 im Schließstromkreis eines VD4-Schaltplans für einen handwagenförmigen Leistungsschalter. Hier eine kurze Zusammenfassung und Erläuterung der wichtigsten Punkte:

Hilfsschalter S2 im Schließkreis

1. Verbesserte Verriegelungszuverlässigkeit:
   • Der Hilfsschalter S2 wird in Verbindung mit der mechanischen Verriegelung durch den Schließverriegelungselektromagneten Y1 verwendet.
   • Dieser doppelte Verriegelungsmechanismus erhöht die Zuverlässigkeit der Verriegelungsfunktion des Leistungsschalters.
2. Vorbeugung von Überhitzung und Schäden:
   • Wenn S2 nicht im Schließkreis enthalten ist und der Handwagen des Leistungsschalters in der Mittelstellung einen Schließbefehl empfängt, wird der Schließkreis aktiviert.
   • Aufgrund der Blockierwirkung des Schließverriegelungs-Elektromagneten Y1 kann sich die Schließhalbachse nicht drehen, wodurch ein Schließen des Leistungsschalters verhindert wird.
   • Dies würde zu einer längeren Bestromung des Schließelektromagneten führen, wodurch dieser überhitzen und möglicherweise durchbrennen könnte.
3. Hilfsschalterrolle:
   • Durch die Einbeziehung von S2 in den Stromkreis wird sichergestellt, dass der Schließelektromagnet nur dann erregt wird, wenn sich der Leistungsschalter in der richtigen Schließposition befindet.
   • Dadurch werden unnötige Stromzufuhr und mögliche Schäden am Elektromagneten vermieden.

Schließverriegelungsmechanismus

1. Mechanische Verriegelung:
   • Der Schließverriegelungsmechanismus ist ein rein mechanisches System, das aus einer viergliedrigen Struktur besteht, bestehend aus der Verriegelungsplatte des Leistungsschalters, dem Verriegelungshebel und dem Verriegelungshebel.
   • Dieser Mechanismus ist zwischen der Leitspindel des Fahrgestellwagens und der schließenden Halbwelle des Leistungsschalters aufgebaut.
2. Funktionalität:
   • Wenn sich der Handwagen für Leistungsschalter in der Test- oder Arbeitsposition befindet, ist die Verriegelungsplatte des Leistungsschalters im Chassis horizontal ausgerichtet, sodass sich die Schließwelle frei drehen kann.
   • Wenn sich der Handwagen in der mittleren Position befindet, wird die Verriegelungsplatte durch die Gewindespindel angehoben, wodurch der Verriegelungshebel in den Kunststoffnocken der schließenden Halbwelle eingreift und deren Drehung blockiert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Hilfsschalter S2 im Schließkreis und der Schließverriegelungsmechanismus beides entscheidende Komponenten sind, die den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Leistungsschalter-Handwagens gewährleisten. Sie arbeiten zusammen, um unbefugte oder unsichere Schließvorgänge zu verhindern und das Gerät vor potenziellen Schäden zu schützen.

Abbildung 6 Schließverriegelungsmechanismus

Die bereitgestellte Beschreibung bietet einen detaillierten Überblick über die Fahrgestellkomponenten des VD4-Handwagens und deren Funktionen, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf Sicherheitsmechanismen und Betriebsbeschränkungen liegt. Hier eine Zusammenfassung und Erläuterung der wichtigsten Punkte:

1. Fahrgestellverformung und -wartung:
   • Die Studie ergab, dass Verformungen oder Blockierungen des Chassis verhindern können, dass sich die mechanische Verriegelung ordnungsgemäß löst, was zum Durchbrennen der Schließspule führen kann.
   • Um dies zu verhindern, sollten regelmäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten an den zugehörigen Komponenten durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich das Chassis in einem guten Betriebszustand befindet.
2. Blockierung der Handwagenbewegung bei geschlossenem Leistungsschalter:
   • Der VD4-Schalter verwendet einen mechanischen Verriegelungsmechanismus, um zu verhindern, dass der Handwagen bei geschlossenem Leistungsschalter hinein- oder herausbewegt wird.
   • Dies wird durch das Zusammenwirken zwischen dem Verriegelungsrahmen auf der Verriegelungsplatte und den vorderen Rollen des B-Phasen-Doppelarm-Bewegungsglieds erreicht.
   • Wenn der Leistungsschalter geschlossen ist, werden die vorderen Rollen nach unten gedrückt, wodurch ein kleiner Spalt zum Verriegelungsrahmen entsteht. Beim Versuch, den Handwagen zu bewegen, drückt die Spindel gegen die Verriegelungsplatte, die wiederum auf die Spindel wirkt und die Bewegung blockiert.
3. Sperrender Schließschalter ohne Energiespeicher:
   • Es ist entscheidend, dass der Leistungsschalter über ausreichend gespeicherte Energie verfügt, bevor er geschlossen werden kann.
   • Ohne oder mit unvollständiger Energiespeicherung verringern sich Schließgeschwindigkeit und Schließkraft, was unter Umständen zu einem Schließversagen führen kann.
   • Der VD4-Schalter nutzt das Zusammenwirken der Energiespeicher-Verriegelungsplatte und der Verlängerungsplatte der fächerförmigen Schließplatte, um ein Schließen zu verhindern, wenn kein Energiespeicher vorhanden ist.
   • Wenn die Energiespeicherung abgeschlossen ist, greift die Rolle an der Verbindungsstange des Energiespeichers in die Scheibe ein, wodurch der Leistungsschalter normal schließen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Fahrgestellkomponenten des VD4-Handwagens Sicherheitsmechanismen beinhalten, die Fehlfunktionen verhindern. Dazu gehören beispielsweise die Blockierung der Bewegung bei geschlossenem Leistungsschalter und die Verhinderung des Schließens bei unzureichender Energiespeicherung. Regelmäßige Wartung und Inspektion dieser Komponenten sind unerlässlich, um den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Geräts zu gewährleisten.

Abbildung 8a: Position der Energiespeicher-Verriegelungsplatte im gespeicherten Zustand

Überarbeiteter Text:

Abbildung 8(b) zeigt die Position der Energiespeicher-Sperrplatte, wenn keine Energie gespeichert ist.

Ergänzend zum zuvor beschriebenen mechanischen Verriegelungsmechanismus ist der Schalter VD4 im Schließkreis in Reihe mit dem Hilfsschalter S1 des Energiespeichers geschaltet (siehe Abbildung 5). Diese Anordnung verbessert die elektrische Verriegelungsfunktion und schützt vor einem möglichen Durchbrennen des Schließelektromagneten.