DE69613467T2 - Auf gepulstem strom ansprechende fehlerstromschutzeinrichtung - Google Patents
Auf gepulstem strom ansprechende fehlerstromschutzeinrichtungInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzeinrichtung einer elektrischen Installation, die bauartgemäß einen Differenzstromwandler mit einem als Magnetkern ausgebildeten Ring, durch die aktiven Leiter der Installation gebildeten Primärwicklungen sowie einer Sekundärwicklung, an deren Klemmen bei Auftreten eines Differenzstromfehlers in den Primärwicklungen ein Differenzstromfehlersignal anliegt, ein Auslöserelais zur Abschaltung eines elektrischen Schaltgeräts sowie eine Sekundärkreisschaltung zur Verbindung des Relais mit den Klemmen der genannten Sekundärwicklung umfaßt, wobei die genannte Schaltung dazu dient, bei Überschreitung eines festgelegten Schwellwerts durch das genannte Signal eine Auslösung zu bewirken. Eine solche Einrichtung ist in der Druckschrift EP-A-85595 beschrieben. Mit der in dieser Druckschrift beschriebenen Fehlerstromschutzeinrichtung läßt sich keine ausreichende Ansprechempfindlichkeit für pulsierende Ströme erreichen.
- 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 ΔB 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 Arbeitsschritten hergestellten Magnetkerns aus einem nanokristallinen Werkstoff mit folgenden magnetischen Eigenschaften erreicht: Br/Bs < 0,3, DBdyn > 0,6 T, bei einer Feldstärke von 100 mA/cm, DBdyn max > 0,7 T und DBdyn/^B > 0,7.
- Die in der genannten Patentschrift beschriebenen magnetischen Eigenschaften sind tatsächlich für eine Auslöserschaltung mit Kondensator interessant. Durch das Vorhandensein dieses Kondensators sowie Werte für DBdyn/^B (100 mA/cm) > 0,7 läßt sich im Sekundärkreis eine symmetrischere Stromform erzielen. Dadurch arbeitet der polarisierte elektromagnetische Auslöser mit zwei symmetrischeren Ansprechwerten, so daß seine werksseitige Einstellung einfacher ist. Diese Eigenschaften sind zwar vorteilhaft, stellen aber andererseits auch eine Erschwernis dar, da sie eine spezielle Behandlung des Werkstoffs für den Magnetkern erfordern.
- Darüber hinaus erlaubt der Auslöser gemäß dieser Patentschrift keinen wirksamen Differenzstromschutz bei gängigen Anwendungen wie z.B. Dimmern, die sehr kurze Zündwinkel im Bereich von 135 bis 180º aufweisen können.
- Weiterhin ist aus der Druckschrift DE-A-3911480 eine Fehlerstromschutzeinrichtung mit einem Ringmagnetkern aus einem nanokristallinen Werkstoff bekannt. Weiterhin ist die Druckschrift EP-A-697704 bekannt, deren Prioritätstag vor dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung liegt, die jedoch nach dem letztgenannten Prioritätstag veröffentlicht wurde. Der Sekundärkreis der in dieser Druckschrift beschriebenen Einrichtung enthält einen Gleichrichter, der einem Resonanzkreis zugeordnet ist.
- Die vorliegende Erfindung löst die beschriebenen Probleme und schlägt eine Fehlerstromschutzeinrichtung vor, die eine verbesserte Ansprechempfindlichkeit in bezug auf pulsierende Ströme bietet, ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns des Wandlerrings eine Erschwernis darstellen, und die es darüber hinaus ermöglicht, einen erweiterten Schutz für pulsierende Ströme zu bieten.
- Zu diesem Zweck liegt der Erfindung eine Fehlerstromschutzeinrichtung gemäß Patentanspruch 1 zugrunde. Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Magnetkern 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 einem besonderen kennzeichnenden Merkmal umfaßt der genannte Gleichrichter zwei Dioden, die die beiden Enden der Sekundärwicklung mit dem einen Ende der Relaisspule verbinden, wobei das andere Ende der Spule mit einem Mittelabgriff der Sekundärwicklung verbunden ist.
- Die Dioden sind vorteilhaft als Zenerdioden ausgebildet. Nach einer anderen Ausgestaltung umfaßt der genannte Gleichrichter eine Diodenbrücke, die die Klemmen der Sekundärwicklung mit den Klemmen der Relaisspule verbindet.
- Nach einem besonderen kennzeichnenden Merkmal umfaßt die Sekundärkreisschaltung außerdem einen parallel zur Sekundärwicklung des Ringwandlers geschalteten Kondensator.
- Nach einem anderen kennzeichnenden Merkmal besitzt die Sekundärkreisschaltung einen Gütefaktor von etwa 3,5.
- Nach einem weiteren kennzeichnenden Merkmal beträgt die Resonanzfrequenz des durch die Sekundärwicklung des Ringkerns und den Kondensator gebildeten Schwingkreises etwa 120 Hz.
- Nach einem besonderen kennzeichnenden Merkmal umfaßt die Sekundärkreisschaltung zusätzlich eine Speicherkapazität sowie Vergleichsmittel, welche Mittel an die Speicherkapazität angeschlossen sind und einen an die 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 eine Kennlinie, die den Verlauf der Ansprechwerte bei kristallinen und nanokristallinen Werkstoffen darstellt;
- Fig. 2 einen Auslöser, der einen Ringwandler mit Magnetkern aus einem nanokristallinen Werkstoff sowie eine Sekundärkreisschaltung mit Gleichrichter umfaßt;
- Fig. 3 und 6 zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Auslösers;
- Fig. 4 zwei Kennlinien mit Darstellung des Gütefaktors auf der Y-Achse und des Verhältnisses C/C (50 Hz) auf der X-Achse für einen kristallinen bzw. einen nanokristallinen Werkstoff;
- Fig. 5 die relative Absenkung der Ansprechwerte für Klasse A bei nanokristallinen Werkstoffen im Vergleich zu kristallinen Werkstoffen in Abhängigkeit vom Zündwinkel.
- Die Fig. 2, 3 und 6 zeigen drei Ausgestaltungen einer Fehlerstromschutzeinrichtung D zum Einbau in oder Anbau an beispielsweise einen Leistungsschalter (nicht dargestellt) zur Abschaltung der aktiven Einspeiseleiter einer Elektroinstallation. Diese Einrichtung D umfaßt in allen drei Ausgestaltungen einen Differenzstromwandler 1, der einen Magnetkernring 2 mit einer Primärwicklung (nicht dargestellt), die aus den durch den Ring 2 hindurchgeführten aktiven Leitern der Installation besteht, und einer Sekundärwicklung 3 aufweist, die über eine Sekundärkreisschaltung 5 mit der Spule eines als polarisiertes Relais ausgebildeten Auslöserelais 4 verbunden ist. Der Magnetkern des Rings 2 besteht aus einem nanokristallinen Werkstoff.
- Die Sekundärkreisschaltung 5 des in Fig. 2 und 3 dargestellten Auslösers D umfaßt zwei Dioden 6, 7, deren Eingänge an je ein Ende der Sekundärwicklung 3 und deren Ausgänge an den Pluspol des Auslöserelais 4 angeschlossen sind, wobei der Minuspol des Relais 4 mit einem Mittelabgriff 3a der Sekundärwicklung 3 des Rings 2 verbunden ist. Bei der in Fig. 3 gezeigten, erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die Sekundärkreisschaltung 5 einen zusätzlichen Kondensator 8 auf, der parallel zur Sekundärwicklung 3 des Rings 2 geschaltet ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein ungewolltes Ansprechen des Auslösers durch die vorteilhafte Verwendung von Zenerdioden oder gleichwertigen Schaltungen verhindert werden kann.
- Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausgestaltung umfaßt die Sekundärkreisschaltung 5 einen Abstimmkoridensator 13, der parallel zur Sekundärwicklung des Rings 2 sowie zu einer Gleichrichterbrücke P geschaltet ist, deren Ausgänge parallel zu einer Speicherkapazität 14 geschaltet sind, die wiederum parallel zu einer Reihenschaltung aus dem Relais 4 und einem Thyristor sowie zu einem Schwellwertschalter 16 mit einem, an den Thyristor 15 angeschlossenen Steuerausgang liegt.
- Bei den beiden ersten Ausgestaltungen gemäß Fig. 2 und 3 steuert das Auslöserelais 4 die Abschaltung des Leistungsschalters, wenn das der Spule des Relais 4 zugeführte, durch einen Fehlerstrom in der Primärwicklung bedingte Fehlersignal einen bestimmten Ansprechwert überschreitet. Weist die an der Sekundärwicklung 3 auftretende Spannung zwei ungleiche Halbwellen auf, so bewirkt der Gleichrichter 6, 7 eine Symmetrierung des Stroms im Sekundärkreis, die erforderlich ist, damit das polarisierte Relais 4 bei zwei symmetrischen Schwellwerten ansprechen kann.
- Bei der dritten Ausgestaltung gemäß Fig. 6 liefert der Schwellwertschalter 16 über den Thyristor 15 ein Auslösesignal an das Relais 3, wenn die Spannung an den Klemmen der Speicherkapazität 14 einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann eine gute Ansprechempfindlichkeit für pulsierende Ströme dadurch erzielt werden, daß ein nanokristalliner Werkstoff mit folgenden magnetischen Eigenschaften verwendet wird: DBdyn (100 mA t/cm) < 0,6 T, DB dyn max < 0,7 T und DBdyn/^B < 0,7.
- Die Kennlinie (a) in Fig. 1 zeigt die Normgrenzen der Ansprechwerte in Abhängigkeit vom Zündwinkel gemäß VDE 0664. Kennlinie (b) zeigt den Verlauf der Ansprechwerte in Abhängigkeit von (α) bei Verwendung eines kristallinen Werkstoffs (Nickelgehalt 78%) für den Magnetkern des Rings (2) in einem Auslöser (D) mit gleichrichterbestückter Sekundärkreisschaltung, und Kennlinie (c) zeigt den gleichen Verlauf bei Verwendung eines nanokristallinen Werkstoffs in einem Auslöser gleicher Bauart. Aus Fig. 1 geht hervor, daß sich durch Verwendung eines nanokristallinen Werkstoffs für den Magnetkern des Rings 2 in einer gleichrichterbestückten Sekundärkreisschaltung 5 Fehlerstrom- Ansprechwerte (S) in Abhängigkeit vom Zündwinkel (α) erzielen lassen (Kennlinie c), die deutlich unter den Normgrenzwerten (Kennlinie a) liegen und Zündwinkel bis zu 135º erfassen. Wie Fig. 5 zeigt, kann aufgrund der geringeren Verluste des nanokristallinen Werkstoffs, die sich durch Messung von DB dyn in Abhängigkeit von der Frequenz nachweisen lassen, ein erweiterter Differenzstromschutz bezüglich des Zündwickels (α) erzielt werden. Auf der Y-Achse dieses Diagramms ist die durch nanokristalline Werkstoffe im Vergleich zu kristallinen Werkstoffen mit einem Nickelanteil von 55% erzielte Absenkung des Ansprechwerts (R) in % für pulsierende Ströme dargestellt.
- Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 und 6 erlaubt der Kondensator 8 eine Verstärkung der Leistung, die dem Relais 4 zugeführt wird. Die durch Verwendung eines nanokristallinen Werkstoffs aufgenommene und an die Sekundärwicklung 3 übertragene Energie ist ausreichend groß, um eine Auslösung des Relais 4 zu bewirken. Die Sekundärwicklung 3 und der Kondensator 8 bilden einen Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz so gewählt wird, daß durch den Kondensator 8 ein Gütefaktor von etwa 3,5 im Vergleich zu einer Schaltung ohne Kondensator erzielt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß der Gütefaktor (f) dem Verhältnis zwischen der Spannung am Kondensator 8 bei einer gegebenen Frequenz und der Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung 3 einer Schaltung ohne Kondensator bei der gleichen Frequenz entspricht. Die Resonanzfrequenz wird außerdem so gewählt, daß die Bandbreite des mit dem Kondensator gebildeten Filters die in den pulsierenden Stromsignalen, insbesondere bei α = 135º enthaltenen Frequenzoberschwingungen über 50 Hz nicht zu stark unterdrückt. Bei Verwendung eines kristallinen Werkstoffs beträgt diese Frequenz im allgemeinen 75 Hz. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, erzeugt ein Magnetkern aus einem nanokristallinen Werkstoff aufgrund seiner geringen Verluste eine doppelt so hohe Güte wie ein herkömmlicher kristalliner Werkstoff. Die Kennlinien d und e dieses Diagramms zeigen jeweils für einen nanokristallinen (d) bzw. kristallinen (e) Werkstoff den Gütefaktor f auf der Y-Achse sowie das Verhältnis zwischen der Kapazität c des Kondensators und einem Kapazitätswert für eine Resonanzfrequenz von 50 Hz (C, 50 Hz) auf der X-Achse. Aus den Kennlinien geht hervor, daß bei einem Gütefaktor von 3,5 der entsprechende Wert von C/C (50 Hz) für einen nanokristallinen Werkstoff (B) kleiner ist als für einen kristallinen Werkstoff (A), so daß eine Resonanzfrequenz von etwa 120 Hz gewählt werden kann. Daraus resultiert eine größere Durchlaßbandbreite des Differenzstromauslösers, die einen erweiterten Schutz in Klasse A (pulsierende Ströme) ermöglicht, welcher sich auf Winkel von 135º < α < 180º erstreckt (solche Winkel treten bei bestimmten Dimmern auf).
- Es sei darauf hingewiesen, daß der Magnetkern vorteilhaft aus einer magnetischen Weicheisenlegierung bestehen kann, 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.
Claims (12)
1. Fehlerstromschutzeinrichtung einer elektrischen Installation, die bauartgemäß einen
Differenzstromwandler mit einem als Magnetkern ausgebildeten Ring, durch die aktiven Leiter der
Installation gebildeten Primärwicklungen sowie einer Sekundärwicklung, an deren Klemmen bei
Auftreten eines Differenzstromfehlers in den Primärwicklungen ein Differenzstromfehlersignal
anliegt, ein Auslöserelais zur Abschaltung eines elektrischen Schaltgeräts sowie eine
Sekundärkreisschaltung zur Verbindung des Relais mit den Klemmen der genannten
Sekundärwicklung umfaßt, wobei die genannte Schaltung dazu dient, bei Überschreitung eines
festgelegten Schwellwerts durch das genannte Signal eine Auslösung zu bewirken, der Magnetkern
des Rings (2) aus einem nanokristallinen Werkstoff besteht und die genannte Sekundärkreisschaltung
(5) einen Gleichrichter umfaßt, der einem Resonanzkreis zugeordnet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärkreisschaltung (5) einen
Gleichrichter (6, 7) und einen Kondensator (8) umfaßt, die parallel zur Sekundärwicklung (3) des
Ringwandlers geschaltet sind, wobei der Kondensator (8) mit der Sekundärwicklung (3) einen
Resonanzkreis bildet.
3. Einrichtung 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. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte
Gleichrichter zwei Dioden (6, 7) umfaßt, die die beiden Enden der Sekundärwicklung (3) mit dem
einen Ende der Relaisspule (4) verbinden, wobei das andere Ende der Spule (4) mit einem
Mittelabgriff (3a) der Sekundärwicklung (3) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden (6, 7) als
Zenerdioden ausgebildet sind.
6. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte
Gleichrichter eine Diodenbrücke umfaßt, die die Klemmen der Sekundärwicklung (3) mit den
Klemmen der Relaisspule (4) verbindet.
7. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gütefaktor (f) der Sekundärkreisschaltung (5) etwa 3,5 beträgt.
8. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Resonanzfrequenz des durch die Sekundärwicklung (3) des Ringkerns (2) und den Kondensator (8)
gebildeten Schwingkreises etwa 120 Hz beträgt.
9. Einrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sekundärkreisschaltung (5) zusätzlich eine Speicherkapazität (14) sowie Vergleichsmittel (16)
umfaßt, welche Mittel 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.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmittel (16) einen
Komparator umfassen.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsmittel (16) eine
Spannungsschwellwertdiode umfassen.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Ansteuerung des Relais (4) einen Thyristor (15) umfassen.
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