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Dokumentenidentifikation DE3315190C3 12.10.1989
Titel Auslösesystem für Schutzschalter, insbesondere für Fehlerstrom-Schutzschalter
Anmelder Felten & Guilleaume Energietechnik AG, 5000 Köln, DE
Erfinder Grotheer, Detlef, Dipl.-Ing., 2850 Bremerhaven, DE
DE-Anmeldedatum 27.04.1983
DE-Aktenzeichen 3315190
Offenlegungstag 31.10.1984
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.11.1987
Date of publication of amended patent 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse H02H 3/08
IPC-Nebenklasse H02H 3/33   
Zusammenfassung Es ist ein Auslösesystem für einen Fehlerstrom-Schutzschalter zu entwickeln, das vor allem in verzweigten Anlagen eingesetzt werden kann, in denen sowohl die Hauptverteilung als auch die Unterverteilung und die dazwischenliegenden Anlagenteile in die Fehlerstrom-Schutzschaltung einbezogen werden sollen. Hierbei sollen auch von außen auftretende Störimpulse sich nicht auf die nachfolgende Schaltung auswirken. Um dieses Ziel zu erreichen, sind in der Schaltungsanordnung zunächst spannungsbegrenzende Halbleiter (D6, D7) vorgesehen, die eine gewisse Selektivität bewirken. Eine einstellbare Ladeschaltung (T3, P1) versorgt den Ladekondensator (C2) mit einem konstanten Strom, unabhängig von der Eingangsspannung, womit der Anstieg der Ladespannung verlangsamt wird. Schließlich sorgt ein RC-Glied (R4, C3) dafür, daß Störimpulse hoher Frequenzen auf ein unschädliches Maß für die Schaltung reduziert werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Auslösesystem für Schutzschalter, insbesondere für Fehlerstrom-Schutzschalter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Auslösesystem ist bereits bekannt (DE-AS 27 45 464). In der Schaltung dieses Auslösesystems ist ein aus einer Zenerdiode und einem Transistor bestehender Konstantstromreglerkreis vorgesehen, bei dem in die Basis- Emitterstrecke des Transistors ein einstellbarer Widerstand zwischen der Zenerdiode und dem Emitter geschaltet ist. Die aus Zenerdiode und Transistor bestehende Anordnung sorgt durch Stabilisierung der Basis-Emitterspannung des Transistors für einen annähernd konstanten Strom durch die Emitter-Kollektor-Strecke. Über diese Strecke wird nun ein Verzögerungskondensator aufgeladen. Der konstante Strom im Verzögerungskondensator bewirkt eine zeitlich konstante Aufladung dieses Kondensators, wodurch die Aufladung bis zu einer bestimmten Höhe der Ladespannung, zeitlich unabhängig von der Höhe der Sekundärspannung des Summenstromwandlers erfolgt. Von der Ladespannung des Verzögerungskondensators wird eine Auslöseschaltung eines Schaltschlosses gesteuert, das bei der bestimmten Höhe der Ladespannung anspricht und über das Schaltschloß die Kontakte des Fehlerstrom-Schutzschalters öffnet. - Im Rahmen von wirtschaftlichen Überlegungen wird ständig überprüft, inwieweit solche Schaltungen weniger aufwendig und bei dem herrschenden Zwang zu immer kleineren Schaltervolumina platzsparender gebaut werden können.

Es ist ein Auslösesystem für einen Schutzschalter in Form eines Fehlerstromschutzschalters bekannt, bei dem im Spannungszweig der Sekundärwicklung des Stromwandlers spannungsbegrenzende Halbleiter vorgesehen sind, die aus zwei gleichsinnig geschalteten Dioden bestehen, zu denen zwei gleichsinnig geschaltete Dioden antiparallel angeordnet sind (IEEE spectrum Jan. 70, S. 55-62, "Transistorized groundfault interrupter reduces shock hazard"). Dieser Halbleiteranordnung ist ein strombegrenzendes RC-Glied nachgeschaltet, das als Dämpfungsglied für hochfrequente Störimpulse wirkt. Um eine wirksame Spannungsbegrenzung zu erreichen, sind allerdings vier Dioden erforderlich.

Aus einer Erdschlußvorrichtung des energieunabhängigen Typs mit polarisierten Auslösern ist es bekannt, parallel zur Sekundärwicklung eines Toroids zwei gleichsinnig in Serie geschaltete Zener-Dioden einzusetzen, zwischen welchen zusätzlich ein Widerstand geschaltet ist (DE-OS 22 16 001).

Der Einsatz von Feldeffekttransistoren in einer Zweipol-Konstantstromquelle ist bekannt (Tietze/Schenk: "Halbleiter- Schaltungstechnik, 5. Auflage, 1980, S. 77, 87). Die alleinige Aufgabe einer derartigen Zweipol-Konstantstromquelle besteht in der Erzeugung eines konstanten Stromes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Auslösesystem für Schutzschalter der eingangs geschilderten Art mit selektiv wirkenden, einfachen Mitteln auszustatten und hierbei den Einfluß von hochfrequenten Störimpulsen auf die Schaltung auf ein unschädliches Maß zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen schaltungstechnischen Maßnahmen gelöst. Der Schutzbereich wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 bestimmt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß mit einer einfachen Zweipolschaltung hinter der Gleichrichteranordnung und einem geringen Schaltungsaufwand im Sekundärkreis des Summenstromwandlers ein sicher und zuverlässig arbeitender, von äußeren Störeinflüssen unabhängiger Selektivschalter entstanden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt die Figur eine Schaltung für einen selektiv wirkenden Fehlerstrom-Schutzschalter.

Nach der Figur besitzt die Schaltung verschiedene Klemmen, die für die Anschlußmöglichkeiten vorgesehen sind. So bedeuten die Klemmen A, B die Verbindungspunkte für den Anschluß der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers. Die Klemmen C, D dienen dem Anschluß des Auslösers. Schließlich sind die Klemmen E, F dafür vorgesehen, den Widerstand R3 gegebenenfalls überbrücken zu können.

Zwischen den Klemmen A, B sind zwei Zenerdioden D6, D7 mit ihren Kathoden gegeneinander geschaltet. Bei hohen Fehlerströmen (6 kA) sowie bei der Stoßstromnormwelle für Selektivschalter (5 kA) gelangt der Summenstromwandler zwar strommäßig in die Sättigung, spannungsmäßig jedoch nicht. Somit können an den Klemmen A, B Spannungswerte von mehreren kV auftreten, die für die nachfolgenden elektronischen Schaltungsglieder von Nachteil sind. Durch die beiden Zenerdioden, welche die Spannung auf einen Maximalwert begrenzen, tritt eine gewisse Selektivität auf. - Gleichfalls zwischen den Klemmen A, B, jedoch den beiden Zenerdioden D6, D7 nachgeschaltet, befindet sich ein aus einem Widerstand R4 und einem Kondensator C3 bestehender Tiefpaß. Dieser Tiefpaß dämpft hochfrequente Störimpulse, wie sie z. B. beim Einschalten von Elektromotoren (Bohrmaschine) auftreten können. - An den Ausgang des Tiefpasses ist eine Gleichrichteranordnung geschaltet, die aus vier Dioden D1 bis D4 besteht. Ein Kondensator C1, der der Diode D3 parallel geschaltet ist, bildet zusammen mit der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers einen Resonanzkreis. Der Resonanzkondensator C1 ist dabei so dimensioniert, daß bei reinem Wechselfehlerstrom, sowie bei pulsierendem Gleichfehlerstrom annähernd die gleichen Strom- und Spannungswerte abgegeben werden. - An die Gleichrichteranordnung schließt sich eine als zweipolgeschaltete Kombination aus einem Feldeffekttransistor T3 und einem regelbaren Widerstand P&sub1; an. Diese Kombination bewirkt einen konstanten Ladestrom für einen Ladekondensator C2, welcher mittels dem Widerstand beliebig eingestellt werden kann. Unabhängig von der vom Wandler abgegebenen Leistung wird dem Ladekondensator ein konstanter Strom aufgeprägt, welcher einen verlangsamten Anstieg der Ladespannung zur Folge hat. Dies führt zu einer Verzögerung im Auslösefall. - Hinter der Ladeschaltung erfolgt die Bestimmung der Schaltschwelle. Hierzu ist parallel zum Ladekondensator C2 eine aus einer Zenerdiode D5, einem Widerstand R2 und einem Widerstand R3 bestehende Reihenschaltung geschaltet. Am Verbindungspunkt zwischen der Anode der Zenerdiode D5 und dem Widerstand R2 ist ein als Impulsgeber eingesetzter Transistor T1 mit seiner Basis angeschaltet. Nachdem die Zenerspannung an der Zenerdiode D5 erreicht ist, baut sich an den Widerständen R2 und R3 eine Spannung auf, die nach Erreichen der Basis- Emitter-Spannung den Transistor T1 durchschaltet. Durch Überbrücken des Widerstandes R3 wird der Basis-Widerstand zum dynamischen Widerstand der Zenerdiode D5 geringer und somit ist durch den höheren Strom, der zum Schalten des Transistors T1 benötigt wird, auch die Ladespannung am Kondensator höher. Der Transistor T1 versteilert die Zenerdioden-Kennlinie um den Faktor β. Gleichzeitig tritt eine Temperatur- Kompensation der beiden entgegengesetzten pn-Übergänge auf. Nach Schalten des Transistors ist die Kollektor-Emitter- Spannung gleich UCE sat. Somit fällt fast die gesamte Ladespannung am Widerstand R1 ab, wodurch schließlich mittels eines programmierbaren Unijunction-Transistors (PUT) die übrige Energie auf den Auslöser geschaltet wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Auslösesystem für Schutzschalter, insbesondere für Fehlerstrom-Schutzschalter, mit einem eine Störgröße erfassenden Stromwandler, dessen Sekundärwicklung eine Gleichrichteranordnung speist, die mit einer aus einem Ladekondensator bestehenden Energiespeichereinrichtung mit einer darauf folgenden Schaltschwelle verbunden ist, die nach erfolgter Aufladung des Ladekondensators einen mit der Spulenwicklung des Auslösers in Reihe liegenden steuerbaren Halbleiter ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß spannungsbegrenzende Halbleiter (D6, D7) im Spannungszweig des Sekundärkreises eingesetzt sind und den Halbleitern (D&sub6;, D&sub7;) ein strombegrenzendes RC-Glied (R4, C3) nachgeschaltet ist, das als Dämpfungsglied für Störimpulse hoher Frequenzen ausgebildet ist, und daß eine einstellbare Ladeschaltung (T3, P1) vorgesehen ist, die den Ladekondensator (C2) mit einem konstanten Strom unabhängig von der Eingangsspannung beaufschlagt, wobei die Halbleiter (D&sub6;, D&sub7;) und das RC-Glied (R&sub4;, C&sub3;) der Gleichrichteranordnung (D1 bis D4) vorgeschaltet sind und die Ladeschaltung (T&sub3;, P&sub1;) der Gleichrichteranordnung (D&sub1; bis D&sub4;) nachgeschaltet ist.
  2. 2. Auslösesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsbegrenzenden Halbleiter zwei gegensinnig in Serie geschaltete Zenerdioden (D6, D7) sind, die mit ihren Kathoden gegeneinander und mit ihren Anoden zwischen den Verbindungspunkten der Sekundärwicklung des Summenstromwandlers und der Gleichrichteranordnung (D1 bis D4) geschaltet sind.
  3. 3. Auslösesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied (R4, C3) zwischen die Anodenanschlüsse der spannungsbegrenzenden Halbleiter (D6, D7) und der Gleichrichteranordnung (D1 bis D4) geschaltet ist.
  4. 4. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltung aus einer als Zweipol geschalteten Kombination aus einem Feldeffekttransistor (T3) und einem regelbaren Widerstand (P&sub1;) besteht, die mit dem Ladekondensator (C2) verbunden ist.
  5. 5. Auslösesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (T3) ein n-Kanal-Sperrschicht-FET ist.






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