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Dokumentenidentifikation DE69931558T2 03.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000966749
Titel SCHUTZSCHALTER MIT HALLEFFEKTSENSOR
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder SANTOS, Esteban, Farmington, CT 06032, US;
KIM, Eungyun, Edward, Burlington, CT 06031, US;
CRINITI, Joseph, New Britain, CT 06052, US;
LARRANAGA, Ignacio, Javier, Bristol, CT 06010, US
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Aktenzeichen 69931558
Vertragsstaaten DE, FR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.01.1999
EP-Aktenzeichen 999014368
WO-Anmeldetag 11.01.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/00634
WO-Veröffentlichungsnummer 1999036928
WO-Veröffentlichungsdatum 22.07.1999
EP-Offenlegungsdatum 29.12.1999
EP date of grant 31.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H01H 71/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01H 71/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund zu der Erfindung

Schutzschalter, wie sie momentan in industriellen elektrischen Verteilersystemen eingesetzt werden, enthalten voneinander trennbare Kontakte, die zur Unterbrechung eines Schaltkreisstroms auf Befehl von einer elektronischen Auslöseeinheit eingerichtet sind. Strommessumformer, beispielsweise Stromtransformatoren, wie sie in der US-Patentschrift 4 672 501 mit dem Titel „Circuit Breaker and Protective Relay Unit" beschrieben sind, werden häufig dazu verwendet, die Auslöseeinheit mit einer Stichprobenangabe des K reisstroms zu versorgen. Derartige Stromtransformatoren benötigen Raum im Inneren des Schutzschaltergehäuses und nehmen hinsichtlich der Stromauslegung des Schutzschalters an Größe zu. Die erhöhte Größe führt zu einer Zunahme der Größe der Schutzschalter die in Anwendungen für höhere Amperenenngrößen verwendet werden.

Halleffektvorrichtungen, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 5 615 075 mit dem Titel „AC/DC Current Sensor for a Circuit Breaker" beschrieben sind, weisen eine viel kleinere Größe auf als Stromtransformatoren und lassen einen reduzierten Raum innerhalb des Schutzschaltergehäuses zu. Derartige Halleffektvorrichtungen erfordern eine gewisse Art eines Magnetflussverstärkers oder -konzentrators, um die Halleffektantwort zu steigern, jedoch bei einer weiteren Erhöhung der Gesamtkosten der Schutzschalterkomponenten.

Ein weiteres Problem bei der Verwendung von Halleffektvorrichtungen, insbesondere in Mehrphasenschaltungen, liegt in der Empfindlichkeit der Halleffektvorrichtung auf den in benachbarten Phasen erzeugten Magnetfluss. Ein Auftreten eines Überstroms in einer Phase könnte beispielsweise einen beträchtlichen Magnetfluss erzeugen, um die Empfindlichkeit der Halleffektvorrichtung in einer unmittelbar benachbarten Phase zu erhöhen, was eine Fehlanzeige eines Überstromvorkommnisses in der benachbarten Phase zur Folge hat.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Anordnung zu beschreiben, wobei Halleffektvorrichtungen im Zusammenhang mit Mehrphasenschutzschaltern verwendet werden können, ohne dass sie gegenüber standardgemäßen Stromtransformatoren Kostensteigerungen herbeiführen und ohne dass sie magnetischen Interphasenbedingungen ausgesetzt sind.

Die Druckschrift FR 2 682 483 beschreibt eine Vorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Lastanschlussstücke, die Schutzschalter, die elektronische Auslöseeinheiten verwenden, elektrisch mit zugehörigen elektrischen Verteilerschaltkreisen verbinden, sind geformt, um einen Magnetflusskonzentrator für Halleffektstromsensoren in der elektronischen Auslöseeinheitsschaltung zu schaffen. Der Halleffektsensor ist zur optimalen Sammlung bzw. Konzentration des Magnetflusses in jeder Phase und zur optimalen Abschirmung des Halleffektsensors in einer einzelnen Phase gegenüber einem in den benachbarten Phasen erzeugten Magnetfluss innerhalb der geformten Region positioniert. Die Formgestalt des Lastanschlussstücks beseitigt die Notwendigkeit zusätzlicher Magnetflusskonzentratoren und vermeidet den weiteren Bedarf einer magnetischen Interphasenabschirmung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Schutzschalter, der das Lastanschlussstück zur Flusskonzentration und den Halleffektsensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;

2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Draufsicht auf das Lastanschlussstück im Inneren des Schutzschalters nach 1;

3 zeigt eine schematisierte Darstellung des Flussdichteprofils, wie es innerhalb des Lastanschlussstücks an dem Halleffektsensor nach 1 und 2 erzeugt wird; und

4 zeigt eine schematisierte Darstellung der Leiterplatte, die die Konditionierungsschaltung und Auslöseeinheitsschaltung trägt, in Bezug auf die Halleffektsensoren, Kontakte und Stromtransformatoren, die in dem Schutzschalter nach 1 enthalten sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Ein gekapselter Schutzschalter 10 ist in 1 dargestellt und enthält ein Gehäuse 11 aus einem wärmehärtenden Kunststoff, an dem eine Abdeckung 12 aus einem ähnlichen Material angebracht ist. Ein bewegbarer Kontakt 14 an einem bewegbaren Kontaktarm 15 liegt neben einem starren Kontakt 16 an einem Kontaktträger 17 zur Beförderung eines Kreisstroms zwischen einem Leitungsanschlussstück 18 und einem Lastanschlussstück 19 in jeder Phase einer dreiphasigen elektrischen Verteilerschaltung. Die AN- und AUS-Zustände der Kontakte werden mittels einer elektronischen Auslöseschaltung 32 gesteuert, die von einer Leiterplatte 21 getragen ist, die unterhalb des Gehäuses des Schutzschalters angeordnet ist. Der Zustand der Kontakte ist mittels des Betätigungsgriffs 13, der von der oberen Fläche der Abdeckung vorragt, von Hand gesteuert. Ein von der oberen Fläche der Abdeckung des Schutzschalters zugänglicher Auslegungsstopfen 23 ermöglicht, dass die Auslegung der Amperenenngröße der elektronischen Auslöseschaltung im Feld ausgewählt werden kann, wie dies in der vorerwähnten US-Patentschrift 4 672 501 beschrieben ist.

Gemäß der Erfindung ist das Lastverbindungsstück 19 derart geformt, dass es einen zentralen radialen Vorsprung 20 bildet, in dem die Halleffektvorrichtung, die nachstehend als „Hallsensor" 24 bezeichnet ist, positioniert ist. Der Hallsensor ist von einer Bauart GH 600, wie sie von F.W. Bell Co., Orlando, FL, erhältlich ist und die eine Verbindung mit der Auslöseschaltung 32 mittels eines Paars Stromleiter, von denen ein einzelner bei 22 veranschaulicht ist, schafft, um der Auslöseschaltung ein elektrisches Signal proportional zu dem Stromfluss durch das Lastanschlussstück 19 in der Weise zuzuführen, wie sie in der vorerwähnten US-Patentschrift 5 615 075 beschrieben ist.

Das Lastanschlussstück 19 ist nun in 2 dargestellt, um die Positionierung des radialen Vorsprungs bzw. der radialen Auskragung 20 in Bezug auf den vorderen Abschnitt 25 und den hinteren Abschnitt 26 des Lastanschlussstücks zu veranschaulichen. Es ist somit ersichtlich, dass die Dicke t und die Breite w des Lastanschlussstücks über den vorderen, den hinteren Teil und den radialen Vorsprung desselben hinweg konstant bleiben, um eine gleichförmige Magnetflussverteilung innerhalb der linearen Erstreckung x sicherzustellen, die um den Mittelpunkt des Radius R definiert ist.

Die Magnetflusslinien 29 über einem jeweiligen elektrischen Leiter 28, der eine definierte radiale Erweiterung 30 aufweist, sind in 3 veranschaulicht, wobei der Hallsensor 24, der in strichpunktierter Linie dargestellt ist, in dem Zentrum 27 der radialen Erweiterung angeordnet ist. Der erhöhte Magnetfluss ist durch die Anzahl der Flusslinien 29' in der Umgebung der radialen Erweiterung veranschaulicht, die die durch den Hallsensor führenden magnetischen Kraftlinien erzeugen, wie sie bei 31 angezeigt sind. Es ist festgestellt worden, dass im Inneren der radialen Erweiterung nicht nur der Magnetfluss steigt, sondern dass durch die Positionierung des Hallsensors im Inneren der radialen Erweiterung der Hallsensor gegenüber magnetischen Streufeldern, die durch benachbarte Stromleiter erzeugt werden, abgeschirmt und vor diesen geschützt wird, und zwar in einer Weise, die derjenigen ähnlich ist, die durch einen Faradayschenkäfig erzielt wird.

Die elektrische Schaltung in dem Schutzschalter 10 nach 1 ist in 4 veranschaulicht, wie sie die Leiterplatte 21 enthält, auf der die Auslöseschaltung 32 montiert ist. Es ist veranschaulicht, dass die elektrischen Kontakte 14, 16 mit einem dreiphasigen elektrischen Verteilersystem verbunden sind, das Leiter 33, 34, 35 und die geformten Lastanschlussstücke 19 enthält, die in strichpunktierter Linie eingezeichnet sind und die den zugehörigen Hallsensor 24 in der geformten radialen Erweiterung 20 in jeder gesonderten Phase enthalten. In jeder Phase sind drei Ministromwandler 3638 angeschlossen, um über drei gesonderte Brückengleichrichter 3941, Stromleiter 42, 43 und 44, eine Diode D1, einen FET Q1 und einen Kondensator C1 Eingangsanschlüssen I4, I5 der Auslöseeinheitsschaltung 32 Arbeitsenergie zuzuführen.

Die Konditionierungsschaltung 45 ist zwischen den Hallsensoren 24 und den Eingangsanschlüssen I1–I3 der Auslöseeinheit angeschlossen und enthält Strom begrenzende Widerstände R1–R6, Rückkopplungswiderstände R7, R9, R11 und Massewiderstände R8, R10, R12, die an die Operationsverstärker 4648 in einer Verstärkerstufe der Konditionierungsschaltung angeschlossen sind. Die Operationsverstärker 4648 sind über Begrenzungswiderstände R13–R15 und Rückkopplungswiderstände R16–R18 in der Gleichrichterstufe mit Operationsverstärkern 4951 verbunden, und die Operationsverstärker 5257 verbinden die Eingangsanschlüsse I1–I3 der Auslöseeinheit 32 über Rückkopplungswiderstände R19–R21, R22–R24, Gleichrichterdioden D2–D4 und Leitungen 5557, um die Inverterstufe der Konditionierungsschaltung 45 zu vervollständigen.

Die von den Hallsensoren 24 über die Konditinierungsschaltung 45 zugeführten Signale werden in der Auslöseeinheitsschaltung 32 verarbeitet, um momentane, kurzfristige und langfristige Überstromzustände in der Weise zu bestimmen, wie sie in der zuletzt vorerwähnten US-Patentschrift 5 615 075 beschrieben ist, und es wird ein Auslösesignal über eine Leitung 60 zu dem Gate-Anschluss eines Schalttransistors Q2 ausgegeben, um die Auslösemagnetspule 58 über einen Ausgangsanschluss 01 zu erregen. Der negative Pol von Q2 ist über eine Leitung 61 mit der Masse und mit einem Ausgangsanschluss 02 verbunden, wodurch die Schaltung der Auslösemagnetspule vervollständigt ist.

Die Magnetspule wird über den Stromleiter 59 betrieben, um die Kontakte 14, 16 in jedem der Stromleiter 3335 voneinander zu trennen, um den Schaltkreis in jedem Pol zu unterbrechen.

Es ist hier ein Schutzschalter mit verringerter Komponentengröße und verringertem Aufwand beschrieben worden, wobei ein Hallsensor und ein zusätzlicher Ministromwandler in jeder Phase einer Mehrphasenschaltung in der Lage sind, sowohl die elektronische Auslöseeinheit des Schutzschalters einzuschalten, als auch der Auslöseeinheit einen Prüfstrom zuzuführen, und zwar ohne eine magnetische Störung zwischen den jeweiligen Hallsensoren in benachbarten Phasen.


Anspruch[de]
Lastverbindungsstück für Schutzschalter, die eine elektronische Auslöseeinheit verwenden, das aufweist:

ein metallenes Verbindungsstück (19) mit einer Einrichtung an einem Ende, die zur Verbindung mit einer elektrischen Schaltung eingerichtet ist, und mit einer Einrichtung an einem gegenüberliegenden Ende, die zur Verbindung mit einer elektronischen Auslöseschaltung eingerichtet ist;

gekennzeichnet durch

eine an dem metallenen Verbindungsstück zwischen dem einen Ende und dem gegenüberliegenden Ende ausgebildete geformte Erweiterung (20), die einen Magnetflusskonzentrator bildet; und

eine Halleffektvorrichtung (24), die innerhalb der geformten Erweiterung angeordnet ist, wobei die Letztere einen verstärkten Magnetfluss für die Halleffektvorrichtung bereitstellt.
Lastverbindungsstück nach Anspruch 1, wobei das metallene Verbindungsstück einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Lastverbindungsstück nach Anspruch 1, wobei die geformte Erweiterung eine radiale Konfiguration aufweist. Lastverbindungsstück nach Anspruch 1, wobei die geformte Erweiterung eine externe magnetische Abschirmung für die Halleffektvorrichtung bildet. Schutzschalter, der aufweist:

ein Gehäuse (11) und eine Abdeckung (12);

ein Paar voneinander trennbarer elektrischer Kontakte (14, 16) innerhalb des Gehäuses, wobei die Kontakte zur Verbindung innerhalb einer elektrischen Schaltung eingerichtet sind;

ein Leitungsverbindungsstück an einem Ende des Gehäuses, wobei das Leitungsverbindungsstück mit dem elektrischen Kontaktpaar verbunden und dazu eingerichtet ist, mit einem elektrischen Verteilerkreis verbunden zu werden; gekennzeichnet durch

ein Lastverbindungsstück (19) an einem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses, wobei das Lastverbindungsstück mit den elektrischen Kontakten verbunden und dazu eingerichtet ist, mit einer elektrischen Last verbunden zu werden, wobei das Lastverbindungsstück derart gestaltet ist, dass daran eine Magnetflusskonzentratorerweiterung gebildet ist;

eine elektronische Auslöseeinheitsschaltung innerhalb der Abdeckung, wobei die Auslöseeinheitsschaltung mit dem Lastverbindungsstück verbunden ist, um das Auftreten eines Überstromzustands festzustellen und die elektrischen Kontakte voneinander zu trennen, um den elektrischen Verteilerkreis zu trennen; und

eine Halleffektvorrichtung (24) innerhalb des Magnetflusskonzentrators zur Bereitstellung eines Schaltungsprüfstroms für die Auslöseeinheitsschaltung.
Schutzschalter nach Anspruch 5, wobei der Magnetflusskonzentrator eine geformte Erweiterung bildet, die an dem Lastverbindungsstück zwischen seinem einen Ende und seinem gegenüberliegenden Ende ausgebildet ist. Schutzschalter nach Anspruch 5, wobei das Lastverbindungsstück einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Schutzschalter nach Anspruch 5, wobei die geformte Erweiterung eine radiale Konfiguration aufweist. Schutzschalter nach Anspruch 5, wobei die geformte Erweiterung eine externe magnetische Abschirmung für die Halleffektvorrichtung bildet. Schutzschalter nach Anspruch 5, der eine Konditionierungsschaltung zwischen der Halleffektvorrichtung und der Auslöseeinheit enthält. Schutzschalter nach Anspruch 10, wobei die Konditionierungsschaltung eine Verstärkerschaltung enthält. Schutzschalter nach Anspruch 10, wobei die Konditionierungsschaltung eine Gleichrichterschaltung enthält. Schutzschalter nach Anspruch 10, wobei die Konditionierungsschaltung eine Inverterschaltung enthält. Schutzschalter nach Anspruch 10, die ferner eine Auslösespule enthält, die mit der Auslöseeinheitsschaltung und den Kontakten verbunden ist, um beim Empfang eines Auslösesignals von der Auslöseeinheitsschaltung die Kontakte voneinander zu trennen. Schutzschalter nach Anspruch 14, die ferner einen Schalttransistor zwischen der Auslöseeinheitsschaltung und der Auslösespule enthält, um der Auslösespule beim Empfang eines Schaltsignals von der Auslöseeinheitsschaltung das Auslösesignal zuzuführen.






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