DE69621925T2

DE69621925T2 - Fehlerstromschutzschalter der auf pulsströme reagiert

Info

Publication number: DE69621925T2
Application number: DE69621925T
Authority: DE
Inventors: Michel Bonniau; Marc Paupert
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2003-02-06
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: WO1996033505A1; DE69621925D1; EP0821830A1; FR2733376A1; ES2176455T3; CN1084522C; FR2733376B1; EP0821830B1; CN1185857A; ZA962964B

Description

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstromauslöser mit Ansprechempindlichkeit für pulsierende Ströme, der einen Stromwandler, ein Auslöserelais und eine Sekundärkreisschaltung zur Verbindung des genannten Relais mit dem Stromwandler umfaßt, wobei der genannte Stromwandler einen Magnetkernring, Primärwicklungen, die durch die aktiven Leiter einer zu schützenden elektrischen Installation gebildet werden, sowie eine Sekundärwicklung aufweist, an deren Klemmen bei Auftreten eines Differenzstromfehlers in den Primärwicklungen ein Differenzstromfehlersignal anliegt, und die genannte Sekundärwicklung dazu dient, über eine Sekundärkreisschaltung mit einem Auslöserelais eines Schaltgeräts zur Abschaltung des Stroms verbunden zu werden, die so ausgelegt ist, daß sie eine Auslösung bewirkt, wenn das genannte Signal einen festgelegten Schwellwert überschreitet.
Fehlerstromschutzauslöser werden seit vielen Jahren zum Geräte- und Personenschutz eingesetzt. Für den Personenschutz beträgt der Auslösestrom beispielsweise etwa 30 mA, während er für den Geräteschutz in einem Bereich von 300 bis 500 mA liegt.
Seit einigen Jahren werden in zahlreichen elektrischen Geräten zunehmend elektronische Baugruppen mit Schaltnetzteilen eingesetzt. Diese Schaltnetzteile erzeugen eine Gleichstromkomponente, welche die Funktion der Fehlerstromschutzeinrichtung beeinträchtigen kann. Da auch elektronische Auslöser, insbesondere in elektrischen Haushaltsgeräten immer häufiger eingesetzt werden, müssen sie ein sicheres Ansprechen nicht nur bei Wechselströmen sondern auch bei pulsierenden Gleichfehlerströmen gewährleisten. Die definierten Ansprechgrenzwerte für solche Auslöser sind in der VDE- Richtlinie 0664 festgelegt. Es sind Auslöser der beschriebenen Bauart bekannt, die die genannte Anforderung erfüllen und bei denen der Magnetkern des Wandlerrings aus einem, an die spezifische Anwendung angepaßten kristallinen Werkstoff besteht. Die wichtigsten Kenngrößen dieser Werkstoffe sind die Amplitude der Induktion ^B für einen sinusförmigen Erregerstrom, der statische Induktionsanstieg AB stat für einen sinusförmigen Erregerstrom mit Halbweggleichrichtung sowie der dynamische Induktionsanstieg ΔB dyn für einen sinusförmigen Erregerstrom mit Vollweggleichrichtung.
Bekanntermaßen wird bei diesen Auslösern ein Kondensator zwischen die Sekundärwicklung des Wandlers und die Auslösespule des Relais geschaltet, um durch Verstärkung der Leistung an den Relaisklemmen die Ansprechempfindlichkeit des Auslösers zu vergrößern. Dabei bilden die Sekundärwicklung und der Kondensator einen Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises muß daher auf die Frequenz der fehlerstrombedingten Spannung in der Sekundärwicklung abgestimmt werden. Der Abgleich dieses Resonanzkreises erfolgt ausgehend von festen Kapazitätswerten für den Kondensator durch Bestimmung der Windungszahl der Sekundärwicklung und entsprechende Festlegung der Ansprechbedingungen des Auslösers. Die einmal festgelegte Windungszahl stellt aber lediglich einen Kompromiß zwischen den verschiedenen Formen von Fehlerströmen dar.
In der europäischen Patentanmeldung EP-0.563.606 wird ein Stromwandler für einen Auslöser beschrieben, durch den ein Verbraucherstromkreis mit pulsierenden Strömen sicher abgeschaltet werden kann, wobei die Auslösung praktisch unabhängig von der Form des Fehlerstroms erfolgt. Dies wird durch Verwendung eines, in zwei Schritten hergestellten Magnetkerns aus einem nanokristallinen Werkstoff mit folgenden magnetischen Eigenschaften erreicht: Br/Bs < 0, 3, DBdyn > 0, 6T bei einer Feldstärke von 100 mA/cm, DBdyn max > 0, 7T und DBdyn/ ^B > 0,7.
Allerdings werden die in dieser Patentschrift definierten magnetischen Größen bei einer Frequenz von 50 Hz gemessen, während die pulsierenden Ströme gemäß VDE 0664 im Frequenzspektrum oberhalb von 50 Hz Oberschwingungen mit hoher Amplitude aufweisen können. Dadurch kann dieser Auslösertyp in elektrischen Geräten, die beispielsweise Thyristoren mit einem Zündwinkel von 135º enthalten, nicht vorteilhaft eingesetzt werden, da die 400-Hz-Oberschwingung bei diesem Winkel noch 30% der Amplitude der 50-Hz- Schwingung aufweist.
Die vorliegende Erfindung löst die genannten Probleme und schlägt einen Auslöser mit einem Stromwandler vor, der insbesondere für pulsierende Ströme bei Zündwinkeln bis zu 135º oder sogar darüber eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit sowie einen einheitlichen Ansprechwert bietet.
Hierzu liegt der Erfindung ein Fehlerstromauslöser nach dem Patentanspruch 1 zugrunde. Der Magnetkern des Rings weist vorteilhaft ein Remanenzverhältnis von Br/Bs < 0,3, einen dynamischen Induktionsanstieg von ΔB (dyn) > 0,6T bei einer Feldstärke von 100 mA/cm, einen maximalen dynamischen Induktionsanstieg > 0,7T sowie ein Verhältnis zwischen dem dynamischen Induktionsanstieg und der Amplitude der Induktion von ΔBdyn/^B > 07 auf.
Der Magnetkern besteht vorteilhaft aus einer magnetischen Weicheisenlegierung, die sich zu über 50% aus Feinkristalliten einer Größe von < 100 nm zusammensetzt und neben einem Eisenanteil von über 60% (at), 0,5 bis 2% Kupfer, mindestens 2 bis 5% eines der Metalle Niob, Wolfram, Tantal, Zirkon, Hafnium, Titan und/oder Molybdän, sowie 5 bis 14% Bor und 14 bis 17% Silizium enthält.
Nach einer besonderen Ausgestaltung besteht der Magnetkern des Rings aus einem nanokristallinen Werkstoff.
Nach einer weiteren Ausgestaltung besteht der Magnetkern des Rings aus einem amorphen Werkstoff.
Die Sekundärkreisschaltung umfaßt vorteilhaft zusätzlich eine Speicherkapazität sowie Vergleichsmittel, die an die Speicherkapazität angeschlossen sind und einen an Mittel zur Ansteuerung des Relais angeschlossenen Steuerausgang aufweisen, derart daß das Relais mit einem Auslösesignal beaufschlagt wird, wenn die Spannung der Speicherkapazität einen festgelegten Schwellwert überschreitet.
Die Vergleichsmittel umfassen vorteilhaft einen Komparator oder eine Spannungsschwellwertdiode.
Die Relaisansteuermittel umfassen vorteilhaft einen Thyristor.
Zum besseren Verständnis ist die Erfindung in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Merkmale und Vorteile näher erläutert. Dabei zeigen
- Fig. 1 ein Diagramm mit der Zusammensetzung eines pulsierenden Stromsignals bei einem Zündwinkel von 0º (Effektivwert des Stroms in mA in Abhängigkeit von der Frequenz in Hz);
- Fig. 2 eine Darstellung der Zusammensetzung eines pulsierenden Stromsignals bei einem Zündwinkel von 90º;
- Fig. 3 eine Darstellung der Zusammensetzung eines pulsierenden Stromsignals bei einem Zündwinkel von 135º;
- Fig. 4 ein Diagramm mit Darstellung des dynamischen Induktionsanstiegs (bezogen auf ΔB dyn/50 Hz) in Abhängigkeit von der Frequenz (in Hz) bei einer Scheitelwertamplitude der Feldstärke von 34 mAT/cm, und
Fig. 5, 6, 7 und 8 schematische Darstellungen von vier verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Auslösers.
Die Fig. 5, 6, 7 und 8 zeigen vier Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Auslösers D, der zum Einbau in bzw. Zuordnung zu einem Leistungsschalter (nicht dargestellt) zur Abschaltung der aktiven Einspeiseleiter einer zu schützenden Elektroinstallation dient. Dieser Auslöser D umfaßt nach allen vier Ausgestaltungen einen Differenzstromwandler 1, der einen Magnetkernring 2 mit einer Primärwicklung (nicht dargestellt), die aus den durch den Ring 2 hindurchgeführten aktiven Leitern besteht, sowie einer Sekundärwicklung 3 aufweist, die über eine Sekundärkreisschaltung 5 mit der Spule eines als polarisiertes Relais ausgebildeten Auslöserelais 4 verbunden ist. Die in Fig. 5 gezeigte Sekundärkreisschaltung 5 des Auslösers D besteht aus einem Kondensator 8, der in Reihe zur Sekundärwicklung 3 des Stromwandlers 1 sowie zum polarisierten Relais 4 geschaltet ist. Gemäß der in Fig. 6 dargestellten zweiten Ausgestaltung des Auslösers umfaßt diese Sekundärkreisschaltung 5 zwei Dioden 6, 7, deren Eingänge an jeweils ein Ende der Sekundärwicklung 3 und deren Ausgänge an den Pluspol des Auslöserelais 4 angeschlossen sind, während der Minuspol des Relais 4 mit einem Mittelabgriff 3a der Sekundärwicklung 3 des Rings 2 verbunden ist.
Gemäß der in Fig. 7 gezeigten Ausgestaltung weist die Sekundärkreisschaltung 5 eine aus vier Dioden 9 bis 12 bestehende Brückenschaltung P auf.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausgestaltung umfaßt die Sekundärkreisschaltung 5 einen Abstimmkondensator 13, der parallel zur Sekundärwicklung 3 des Rings 2 sowie zu einer Gleichrichterbrücke P liegt, deren Ausgänge parallel zu einer Speicherkapazität 14 geschaltet sind, welche wiederum parallel zu einer aus dem Relais 4 und einem Thyristor 15 bestehenden Reihenschaltung sowie zu einem Schwellwertschalter 16 mit einem, an den Thyristor 15 angeschlossenen Steuerausgang liegt.
Bei den drei ersten Ausgestaltungen steuert das Auslöserelais 4 die Abschaltung des Leistungsschalters, wenn das bei Auftreten eines Fehlerstroms in der Primärwicklung der Spule des Relais 4 zugeführte Fehlersignal einen bestimmten Ansprechwert überschreitet. Bei der vierten Ausgestaltung liefert der Schwellwertschalter 16 über den Thyristor 15 ein Auslösesignal an das Relais 4, wenn die Spannung an den Klemmen der Speicherkapazität 13 einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Es sei darauf hingewiesen, daß das Relais als polarisiertes Relais ausgebildet ist, das entweder nur eine oder zwei Halbwellen des Signals nutzt. Bei der ersten Ausgestaltung dient die Kapazität 8 dazu, zusammen mit den Induktivitäten des Wandlerrings 2 und des Auslöserelais 4 ein Formfilter zu bilden. Der Wert dieser Kapazität wird mit Hilfe herkömmlicher Mittel zur Filterberechnung und -auslegung bestimmt. Dabei werden die Windungszahlen der Sekundärwicklung 3 und der Spule 4 sowie der zur Herstellung des Rings 2 verwendete Magnetwerkstoff berücksichtigt. Die Verwendung eines solchen Formfilters für das vom Ring 2 gelieferte Fehlersignal erlaubt die Nutzung eines einheitlichen Ansprechwerts der Schutzeinrichtung unabhängig davon, ob das Signal als Wechselstrom, halbweg-gleichgerichteter oder vollweggleichgerichteter Strom usw. vorliegt. Bei den Ausgestaltungen nach Fig. 6, 7 und 8 erfolgt die Symmetrierung der Ansprechwerte bei pulsierenden Strömen durch die Gleichrichtmittel (zwei Einzeldioden oder Diodenbrücke).
Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen die Zusammensetzung eines Signals der Klasse A (pulsierende Ströme) (42 mA RMS/50 HZ) bei unterschiedlichen Zündwinkeln von 0, 90 und 135º. Es ist erkennbar, daß bei einem Zündwinkel von 0 bzw. 90º (Fig. 1 und 2) die pulsierenden Ströme mit Oberschwingungen im Frequenzbereich über 50 Hz behaftet sein können, die eine kleine Amplitude aufweisen. Bei einem Zündwinkel von 135º (Fig. 3), der z. B. bei Thyristoren von Δimmerschaltungen auftreten kann, zeigt sich hingegen, daß die pulsierenden Ströme Oberschwingungen mit hoher Amplitude aufweisen können. Fig. 3 zeigt in der Tat, daß bei α = 135º die Amplitude der 400-Hz-Oberschwingung noch etwa 30% der Grundschwingungsamplitude ausmacht.
Der Magnetkern des Rings 2 des Stromwandlers 1 weist erimdungsgemäß bei einer Amplitude der Feldstärke von ca. 35 mA t/cm ein Verhältnis zwischen dem dynamischen Induktionsanstieg bei 400 Hz und dem dynamischen Induktionsanstieg bei 50 Hz von > 0,7 auf. Diese magnetische Kenngröße des Kerns führt zu einem besseren Betriebsverhalten bei Strömen der Klasse A, d. h. zu einem Absenken der Ansprechwerte bei pulsierenden Strömen, zumindest bis zum genannten Steuerwinkel von 135º. Es sei darauf hingewiesen, daß die Reduzierung des Ansprechwerts bei α = 135º etwa 15% beträgt.
Fig. 4 zeigt die entsprechende Wirkung dieser Kenngröße bei einem nanokristallinen Werkstoff, dessen Kennlinie (a) das Verhältnis zwischen ΔBdyn bei 50 Hz und der Frequenz ausdrückt. Das Diagramm zeigt jedoch auch, daß sich für einen kristallinen Werkstoff, dessen Kennlinie unter (b) dargestellt ist, die Wirkung nicht nachweisen läßt. Es empfiehlt sich daher, vorzugsweise einen nanokristallinen Werkstoff zu verwenden. Dieser Magnetkern kann vorzugsweise aus einer magnetischen Weicheisenlegierung bestehen, die zu mindestens 50% aus Kristalliten einer Größe von < 100 nm besteht und in Atommasseanteilen neben einem Eisenanteil von über 60%, 0,5 bis 2% Kupfer, mindestens 2 bis 5% eines der Metalle Niob, Wolfram, Tantal, Zirkon, Hafnium, Titan und/oder Molybdän, sowie 5 bis 14% Bor und 14 bis 17% Silizium enthält.
Bei Einsatz des Stromwandlers 1 in einem Auslöser D der in Fig. 5 dargestellten Art können zur Erzielung einer hohen Ansprechempimdlichkeit für pulsierende Fehlerströme bei gleichzeitig einheitlichem Ansprechwert folgende magnetischen Eigenschaften zusätzlich von Vorteil sein: Remanenzverhältnis Br/Bs < 0,3; DBdyn > 0,6 T bei H = 100 mA/cm; DBdyn max > 0,7 T und DBdynIAB > 0,7.
Diese magnetischen Kennwerte können in einem durch Härten gewonnen Band aus Magnetwerkstoff (schnell abgeschrecktes Band einer amorphen Legierung) durch zwei aufeinanderfolgende Wärmebehandlungen erzielt werden. Die erste Wärmebehandlung besteht aus einer Behandlung zur Herstellung des Nanokristallgefüges unter Einwirkung eines magnetischen Längsfeldes (in Längsrichtung des Bandes), während die zweite Behandlung mit einem Querfeld durchgeführt wird.
Bei Verwendung des Stromwandlers 1 in einem Auslöser D gemäß einer der Fig. 6, 7 oder 8 kann die gleiche Wirkung bei schlechteren magnetischen Eigenschaften, insbesondere mit DBdyn (100 mAt/cm) < 0,6 T; DBdyn max < 0,7 T und DBdynKB < 0,7 erzielt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Magnetkern aus einem amorphen Werkstoff bestehen, da ein solcher Werkstoff keine hohen magnetischen Verluste aufweist und der Kern durch eine entsprechende Behandlung die geeigneten magnetischen Eigenschaften gemäß der Erfindung, d. h. DBdyn (400 Hz)/ DBdyn (50 Hz) > 0,7 bei H = 35 mAt/cm erhalten kann.
So führt die Erfindung zur Schaffung eines Fehlerstromauslösers, der besonders beim Einsatz in elektrischen Geräten mit Zündwinkeln bis zu 135º oder sogar darüber eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit für pulsierende Ströme (niedrigerer Ansprechwert) aufweist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beispielhaft beschriebenen und dargestellten Ausgestaltungen beschränkt.

Claims

1. Fehlerstromauslöser mit Ansprechempfindlichkeit für pulsierende Ströme, der einen Stromwandler (1), ein Auslöserelais (4) und eine Sekundärkreisschaltung (5) zur Verbindung des genannten Relais mit dem Stromwandler umfaßt, wobei der genannte Stromwandler einen Magnetkernring (2), Primärwicklungen, die durch die aktiven Leiter einer zu schützenden elektrischen Installation gebildet werden, sowie eine Sekundärwicklung (3) aufweist, an deren Klemmen bei Auftreten eines Differenzstromfehlers in den Primärwicklungen ein Differenzstromfehlersignal anliegt, und die genannte Sekundärwicklung dazu dient, mit dem Auslöserelais über die Sekundärkreisschaltung verbunden zu werden, die so ausgelegt ist, daß sie eine Auslösung bewirkt, wenn das genannte Signal einen festgelegten Schwellwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Magnetkern des Rings (2) bei einer Amplitude der Feldstärke H von ca. 35 mA t/cm ein Verhältnis zwischen dem dynamischen Induktionsanstieg AB dyn bei 400 Hz und dem dynamischen Induktionsanstieg AB dyn bei 50 Hz von > 0,7 aufweist und daß die genannte Sekundärkreisschaltung (5) einen Zweiweggleichrichter (6, 7; 9 bis 12) umfaßt, welcher Gleichrichter zwei Dioden enthält (6, 7), die die beiden Enden der Sekundärwicklung (3) mit dem einen Ende der Spule des Relais (4) verbinden, während das andere Spulenende an einen Mittelabgriff (3a) der Sekundärwicklung (3) angeschlossen ist.

2. Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern des Rings (2) ein Remanenzverhältnis von Br/Bs < 0,3, einen dynamischen Induktionsanstieg von AB (dyn) > 0,6T bei einer Feldstärke von 100 mA/cm, einen maximalen dynamischen Induktionsanstieg ΔB dyn max > 0,7T sowie ein Verhältnis zwischen dem dynamischen Induktionsanstieg und der Amplitude der Induktion von ΔBdyn/^B > 0,7 aufweist.

3. Auslöser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern aus einer magnetischen Weicheisenlegierung besteht, die sich zu über 50% aus Feinkristalliten einer Größe von < 100 nm zusammensetzt und neben einem Eisenanteil von über 60% (at), 0,5 bis 2% Kupfer, mindestens 2 bis 5% eines der Metalle Niob, Wolfram, Tantal, Zirkon, Hafnium, Titan und/oder Molybdän, sowie 5 bis 14% Bor und 14 bis 17% Silizium enthält.

4. Auslöser nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern des Rings (2) aus einem nanokristallinen Werkstoff besteht.

5. Auslöser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern des Rings (2) aus einem amorphen Werkstoff besteht.

6. Auslöser nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Gleichrichter eine Diodenbrücke P umfaßt, die die Enden der Sekundärwicklung (3) mit den Enden der Spule des Relais (4) verbindet.

7. Auslöser nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärkreisschaltung (5) zusätzlich eine Speicherkapazität (14) sowie Vergleichsmittel (16) umfaßt, die an die Speicherkapazität (14) angeschlossen sind und einen an die Mittel (15) zur Ansteuerung des Relais (4) angeschlossenen Steuerausgang aufweisen, derart daß das Relais (4) mit einem Auslösesignal beaufschlagt wird, wenn die Spannung der Speicherkapazität (14) einen festgelegten Schwellwert überschreitet.

8. Auslöser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmittel (16) einen Komparator umfassen.

9. Auslöser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmittel (16) eine Spannungsschwellwertdiode umfassen.

10. Auslöser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ansteuerung des Relais (4) einen Thyristor (15) umfassen.