DE3633787A1 - Reststromunterbrechungsschaltung - Google Patents
ReststromunterbrechungsschaltungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Reststromunterbrechungsschaltungen,
die ebenfalls als Erdleckstromunterbrechungsschaltungen
bekannt sind.
Reststromunterbrechungsschaltungen haben allgemein einen
Solenoidschalter zum Abschalten einer Last von einer elektrischen
Versorgung im Falle eines Fehlers, d. h. falls ein
Erdleckzustand erfaßt wird. Der Vorteil eines Solenoidschalters
besteht darin, daß dieser eine vollständige elektrische
Isolierung der Last von der Spannungsversorgung
aufgrund eines geöffneten Spaltes zwischen den Schaltkontakten
gewährleistet, wodurch eine erhöhte Sicherheit erreicht
wird. Typischerweise ist die kürzeste Zeit, die für
das Öffnen der mechanisch betätigten Schaltkontakte benötigt
wird, in der Größenordnung von 0,04 Sekunden. Obwohl diese
Betätigungszeit kurz ist, kann während dieser Zeit eine
erhebliche Menge an elektrischer Energie fließen. In Abhängigkeit
von der Größe des fließenden Stromes wird die
Gefährdung der betreffenden Person durch Kontraktion der
Muskeln bestimmt durch die Zeit, die benötigt wird, um die
Leistung abzukoppeln. In dem Fall, in dem der Phasenleiter
direkt gegen Masse kurzgeschlossen wird, kann ein ausreichend
hoher Strom fließen, der eine Sicherung für
13 Ampere durchbrennen läßt, bevor die Schaltkontakte geöffnet
werden.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich damit, diesem Problem
zu begegnen.
Erfindungsgemäß ist eine Reststromunterbrechungsschaltung
vorgesehen, die folgende Merkmale aufweist: ein Paar von
Leitern zum Anschließen einer Last an eine elektrische
Leistungsversorgung, eine Fühlereinrichtung zum Ermitteln,
ob die in den Leitern fließenden Ströme um einen vorbestimmten
Betrag voneinander abweichen, ein mechanisches
Schaltgerät mit Kontakten, die geöffnet werden können, zu
einen Stromfluß zu der Last zu unterbrechen, eine an die
Fühlereinrichtung angeschlossene Einrichtung zum Erregen
eines Solenoides zum Öffnen der Schalterkontakte, wenn
eine vorbestimmte Stromdifferenz erfaßt wird, und ein Festkörperschaltgerät
mit einem Steuereingang, der an die Fühlereinrichtung
für das Gerät angeschlossen ist, um den elektrischen
Stromfluß zu der Last schneller zu unterbrechen als
diejenige Zeit, die benötigt wird, damit das Solenoid die
Schaltkontakte öffnet, wenn die vorbestimmte Stromdifferenz
erfaßt wird.
Das Festkörperschaltgerät kann einen Thyristor enthalten
und ist vorzugsweise ein Triac. Wenn die Wechselstromversorgung
eine Netzfrequenz von 50 Herz hat, kann der Triac
den Strom innerhalb von 0,01 Sekunden abschalten, d. h. in
nicht mehr als einem halben Zyklus der Stromversorgung.
Diese Zeit liegt erheblich unterhalb des Minimums von
0,04 Sekunden, die mechanische Schaltkontakte zum Öffnen
benötigen.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt ein Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen
Reststromunterbrechungsschaltung.
Die Reststromunterbrechungsschaltung hat einen Fühler bzw.
ein Fühlergerät mit einem magnetischen Kern 1 in der Form
eines Toroides, der lediglich von einem einzigen schmalen
Luftspalt unterbrochen ist. In dem Luftspalt liegt ein
integriertes Schaltungselement 2, das nach dem linearen
Hall-Effekt arbeitet, vorzugsweise mit einer Gleitpassung
oder mit einem schmalen Abstand zwischen den einander
gegenüberliegenden Polteilen des Kernes. Das Element 2
hat eine derartige Größe, daß im wesentlichen der gesamte
magnetische Fluß zwischen den Polstücken durch das Element
gerichtet wird. Zwei Leiterspulen 3, 4 sind mit einer
gleichen Anzahl von Wicklungen an entgegengesetzten Seiten
des Kernes aufgebracht, wobei die Leitern derart angeschlossen
sind, daß die von ihnen geführten Ströme entgegengesetzt
gerichtete magnetische Flüsse durch die geschlossene
magnetische Schaltung induzieren, die durch
den Kern 1 festgelegt wird und durch das Hall-Element 2
unterbrochen wird. Wenn daher die in den jeweiligen Leitern
fließenden Ströme einander gleich sind, liegt kein resultierender
Fluß in dem magnetischen Kreis vor, so daß durch
das Hall-Element 2 kein Ausgangssignal erzeugt wird. Wenn
die von den Leiterspulen geführten Ströme voneinander abweichen,
wird ein magnetischer Fluß in den Kern 1 induziert,
dessen Intensität von der Differenz zwischen den elektrischen
Strömen abhängt, woraufhin das Hall-Element 2 ausgangsseitig
ein Signal erzeugt, das proportional zu dem
sich ergebenden magnetischen Fluß ist. Um die Komponenten
in dem Fühlergerät in der richtigen Lage zueinander zu
halten, können diese in einem geeigneten Umkappselungsmaterial
eingebettet sein. Aus Gründen der magnetischen
Abschirmung kann dieses mit einer Schicht aus Eisenmaterial
umgeben sein.
Das Fühlergerät ist elektrisch mit einer Reststromunterbrechungsschaltung
verbunden, die die Zuführung von elektrischer
Leistung zu einer Last oder einem Verbraucher 10
(in gestrichelten Linien darstellt) von einer Leistungsquelle
steuert, die beispielsweise durch das Wechselstromnetz
gebildet sein kann. Die Unterbrechungsschaltung hat
ein Schaltgerät, das durch ein Auslösesolenoid 11 und einen
Doppelpolschalter gebildet wird, der zwei Kontaktsätze RC 1
und RC 2 aufweist, durch die die Leiter 3, 4 jeweils an die
Klemmenanschlüsse 12, 13 angeschlossen sind, um die Phasenseite
und die neutrale Seite mit der Leistungsversorgung
zu verbinden. Der Schalter ist von Hand betätigbar, um die
Kontakte RC 1, RC 2 zu öffnen und zu schließen. Das Solenoid
ist angeordnet, um die Schaltkontakte aus dem geschlossenen
Zustand in den geöffneten Zustand bei Erregen des Solenoides
auszulösen. Die Last 10 liegt zwischen den Ausgangs-Klemmenanschlüssen 14,
15 an den anderen Enden der Leiter 3, 4.
Die Ausgangsklemme des Hall-Effekt-Elementes 2 ist mit der
Eingangsklemme eines Signalprozessors 16 verbunden, der
nachfolgend näher erläutert wird.
Um eine Gleichstromversorgung für das Hall-Effekt-Element
und den Signalprozessor 16 zu schaffen, sind ein Widerstand 17
und eine Gleichrichterbrücke 18 in Reihe über die
Leistungseingangsklemmen 12, 13 durch die Leitungen 19, 20
angeschlossen. Die Ausgangsspannung der Brücke 18 wird
einem Paar von Gleichstromleitungen 21, 22 zugeführt und
beispielsweise bei 5 Volt Spannung mittels einer Zener
Diode 23 und eines Kondensators 24, die parallel zwischen
den Leitungen 21, 22 liegen, stabilisiert. Die stabilisierte
Gleichstromspannung wird dem Hall-Effekt-Element 2 zugeführt
und dem Signalprozessor (über eine nicht gezeigte
Verbindung) durch die Leitungen 21, 22 zugeführt.
Der Signalprozessor hat eine Wechselspannungskoppelung 25,
einen Wechselstromverstärker 26, einen Präzisionsgleichrichter 28,
einen Vergleicher 29 und einen optischen Isolator 30,
wobei diese Teile in dieser Reihenfolge angeschlossen
sind. Die Wechselspannungskoppelung 25 ist vorzugsweise
ein einfacher Kondensator und filtert Gleichstromkomponenten
aus dem Signal aus, das durch das Hall-
Effekt-Element 2 erzeugt wird, bevor das Signal zur Eingangsseite
des Wechselstromverstärkers 26 zugeführt wird.
Das verstärkte Signal von dem Ausgangsverstärker 26 wird
zu dem Eingang des Präzisionsgleichrichters 28 zugeführt,
der dieses in ein Gleichspannungssignal umformt. Daher
ist das vom Ausgang des Gleichrichters ausgesandte Signal
proportional zum Wechselspannungssignal des Hall-Elementes 2,
und somit zu dem Fluß in dem magnetischen Kern 1 und dadurch
proportional zur Differenz der elektrischen Ströme,
die in den beiden Leitern, 3, 4 fließen. Der Vergleicher 29
vergleicht das Ausgangssignal des Gleichrichters mit einer
Bezugsspannung, die vorzugsweise mittels eines Spannungsteilers
erhalten wird, der über die beiden Gleichspannungsleitungen 21,
22 geschaltet ist. Der Gleichspannungsteiler
hat die Form eines Potentiometers 31, dessen Schleifkontakt
an den Vergleicher angeschlossen ist. Anstelle des Potentiometers
können jedoch auch zwei Widerstände verwendet
werden. Die Referenzspannung wird auf ein derartiges Spannungsniveau
eingestellt, das in der Größenordnung von
3 Volt liegt, daß es normalerweise größer ist als das
Signal, das vom Gleichrichter 28 geliefert wird, wobei
jedoch das letztgenannte Signal die Bezugsspannung übersteigt,
wenn eine vorbestimmte Ungleichgewichtigkeit
zwischen den Strömen in den Leitern 3, 4 auftritt. Der
Vergleicher vergleicht die beiden Eingangssignale, die
ihm zugeführt werden, und erzeugt lediglich dann ein
Ausgangssignal, wenn das Signal vom Gleichrichter 28
größer als die Bezugsspannung ist. Das Ausgangssignal
von dem Vergleicher 29 wird zum Eingang eines Diskriminatorgerätes
oder Unterscheidungsgerätes 33 zugeführt.
Der Diskriminator 33 hat zwei Ausgänge 34, 35, von denen
der erste über einen Widerstand 50 an den Steuereingang
eines Triac 51 angeschlossen ist, welches in Reihe zur
Erregerspule des Auslöse-Solenoids 11 quer zu den beiden
Hauptstromleitern 3, 4 geschaltet ist. Der zweite Ausgang
des Diskriminators 33 wird über einen Widerstand 53 zum
Steuereingang eines Triac 54 zugeführt, der direkt in
dem Phasenleiter 3 liegt.
Die Signale der beiden Ausgänge des Diskriminators 33 sind
gegeneinander um 180° phasenverschoben. Mit anderen Worten
liegt kein Signal am ersten Ausgang 34, wenn ein Signal
vom zweiten Ausgang 35 abgegeben wird, und umgekehrt.
Während normalen Betriebsbedingungen, d. h. wenn der gleiche
Strom in den Leitern 3 und 4 fließt, liegt kein Signal vom
Komparator 29 vor, so daß der Diskriminator 33 ein Signal
an den zweiten Ausgang 35 erzeugt, so daß das Triac 54 in
seinem leitenden Zustand für den Hauptstrom, der zur Last 10
zugeführt wird, bleibt. Es ist kein Signal an dem ersten
Ausgang 34, so daß das Triac 51 nichtleitend ist und daß
das Solenoid 11 nicht erregt bleibt. In diesem normalen
Zustand des Solenoides 11 können die Kontaktsätze RC 1, RC 2
zum Verbinden der Last mit der Leistungsversorgung geschlossen
werden. Das Triac 51 ist betätigbar, um das
Solenoid zum Öffnen der Kontaktsätze RC 1, RC 2 zu erregen,
und um dadurch die Last 10 von der Leistungsversorgung
abzuschalten.
In Reaktion auf eine Fehlerbedingung oder einen Fehlerzustand,
d. h. in Reaktion auf eine Differenz der Strompegel
von 10 mA in den Leitern 3, 4 steigt das Signal von dem
Hall-Element 2 auf einen derartigen Pegel an, daß das
Spannungssignal vom Gleichrichter 28 die Bezugsspannung
übersteigt, woraufhin ein Ausgangssignal durch den Vergleicher 29
erzeugt wird. Demgemäß wird das zweite Ausgangssignal 35
des Diskriminators 33 abgeschaltet und
gleichzeitig ein Signal am ersten Ausgang 34 erzeugt.
Das Triac 54 spricht hierauf an, indem es nichtleitend
wird, um den Fluß des Netzstromes zu der Last 10 zu unterbrechen.
Diese Unterbrechung tritt innerhalb eines halben
Zyklus der Versorgungswechselspannung auf, d. h. innerhalb
von 0,01 Sekunden bei einer 50 Herz-Netzfrequenz. Daher
wird der Strom, der zu der Last 10 fließt, abgeschaltet,
bevor die Kontaktsätze RC 1, RC 2, die durch das Solenoid 11
aufgrund der Trägerung des Triac 51 betätigt werden,
geöffnet sind, um die Verbindung zwischen der Last 10 und
der Netzversorgung zu unterbrechen, wobei mindestens 0,04 Sekunden
für das Öffnen der Schaltkontakte benötigt werden.
Wenn die Kontakte RC 1, RC 2 geöffnet worden sind, kehren
die Ausgänge des Diskriminators 33 in den Normalzustand
zurück wobei unter der Voraussetzung, daß der für den
Erdleckstrom verantwortliche Fehler behoben worden ist,
der Doppelpolschalter von Hand rückgesetzt worden ist,
um die Kontakte zu schließen und um erneut die elektrischen
Strompfade zwischen der Last und der Leistungsversorgung
herzustellen.
Die schnellere Stromunterbrechung durch Einbeziehung des
Triac 54 hat folgende Vorteile:
a) es tritt ein erheblich geringerer Schock für
das Nervensystem der Person auf, die dem Erdleckstrom
ausgesetzt ist, da eine verkürzte
Isolationszeit erreicht wird;
b) eine erheblich geringere elektrische Leistung
fließt vor der Unterbrechung, wobei insbesondere
dann, wenn der Phasenleiter direkt
gegen Masse kurzgeschlossen wird, die Leistung
niedrig genug bleibt, damit eine 13-Ampere-
Sicherung nicht durchbrennt;
c) eine Reststromunterbrechungsschaltung, die
dazu geeignet ist, auf einen Erdleckstrom
von beispielsweise 10 mA anzusprechen, unterbricht
die Leistungsversorgung, bevor eine
weitere Unterbrechungsschaltung vor oder
hinter der vorliegenden Schaltung, die beispielsweise
auf einen höheren Leckstrom von
20 mA anspricht, betätigt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein
Triac erläutert worden ist, das eine schnelle Stromunterbrechung
gewährleistet, versteht es sich für den Fachmann,
daß andere Thyristorgeräte verwendbar sind, wie beispielsweise
zwei gegensinnig geschaltete SCR's (Silizium-gesteuerte
Gleichrichter).
Die Wechselstromkopplung 25, die am Eingang des Signalprozessors
vorgesehen ist, arbeitet als Sicherheitsgerät,
um ein Außerkraftsetzen der Schaltungsunterbrechung durch
Anordnen eines Permanentmagneten in der Nähe des Sensors
oder Fühlers unmöglich zu machen.
Zum Überprüfen der Unterbrechungsschaltung kann eine Hilfslast 36
in Reihe mit dem Druckknopfschalter 38 zwischen die
Leitern 3, 4 eingeschaltet werden, um den spulenartigen
Teil eines Leiters 3 zu überbrücken. Nach dem Drücken des
Knopfes zum Schließen des Schalters 38 entstehen verschiedene
Strompegel in den Spulenabschnitten der Leitern 3, 4,
so daß bei ordnungsgemäßer Funktion der Unterbrechungsschaltung
das Solenoid 11 erregt wird, um die Kontakte RC 1,
RC 2 zu schließen. Nach dem Loslassen des Knopfes zum erneuten
Schließen des Schalters 38 kann der doppelte Polschalter
von Hand betätigt werden, um die Kontakte RC 1, RC 2
zu schließen und um damit das Testverfahren zu vervollständigen.
Claims (8)
1. Reststromunterbrechungsschaltung mit folgenden Merkmalen:
Einem Leiterpaar zum Anschließen einer Last an eine
elektrische Leistungsversorgung;
einer Einrichtung zum Erfassen, ob der Stromfluß in
den Leitern sich um einen vorbestimmten Betrag unterscheidet,
einem mechanischen Schaltgerät mit Kontakten, die
gegeneinander geöffnet werden können, um den Stromfluß
zur Last zu unterbrechen, und
einer Einrichtung, die an die Fühlereinrichtung angeschlossen
ist, um ein Solenoid zum Öffnen der
Schaltkontakte zu erregen, wenn die vorbestimmte
Differenz der Ströme erfaßt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Festkörperschaltgerät (54) einen an die Fühlereinrichtung (1,
2, 16) angeschlossenen Steuereingang
aufweist und
daß es dazu geeignet ist, den elektrischen Stromfluß
zur Last (10) schneller zu unterbrechen als diejenige
Zeit, die das Solenoid (11) zum Öffnen der Schaltkontakte (RC 1,
RC 2) benötigt, wenn die vorbestimmte
Differenz der Ströme erfaßt wird.
2. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Festkörperschaltgerät ein Triac (54) aufweist.
3. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 1
oder 2, bei dem die Einrichtung zum Erregen des
Solenoides ein Festkörpergerät (54), das vorzugsweise
als Triac ausgeführt ist, aufweist, welches in Reihe
zu der Erregerspule des Solenoides zwischen den beiden
Leitern geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Fühlereinrichtung (1, 2, 16) zwei Ausgänge (34,
35) aufweist, die jeweils mit Steuereingängen
des Festkörpergerätes (51, 54) verbunden sind.
4. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 3,
bei dem die Fühlereinrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung
zum Erzeugen eines Ausgangssignales aufweist,
wenn die vorbestimmte Differenz der Ströme
ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Diskriminator (33) vorgesehen ist, dessen
Eingang mit der Signalerzeugungseinrichtung (29)
verbunden ist und der die Ausgänge (34, 35) festlegt,
wobei die an den beiden Ausgängen erzeugten
Signale gegeneinander um 180° phasenversetzt sind
und wobei der Diskriminator die Signale in Reaktion
auf ein von der Signalerzeugungseinrichtung ausgangsseitig
erzeugtes Signal umkehrt.
5. Reststromunterbrechungsschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die Fühlereinrichtung
ein Sensorgerät oder Fühlergerät zum Erzeugen eines
Signales beinhaltet, das von der Differenz der Ströme,
die in den Leitern fließen, abhängt, gekennzeichnet
durch
eine Signalprozessoreinrichtung (16) mit einer Einrichtung (26,
28) zum Erzeugen eines Spannungssignales,
das proportional zu dem Signal von dem Sensorgerät
ist, und
eine Einrichtung (29) zum Vergleichen des Spannungssignales
mit einem konstanten Bezugssignal und zum
Erzeugen eines Ausgangssignales, wenn das Spannungssignal
das konstante Signal übersteigt.
6. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 5,
bei der die Einrichtung (17, 18) zwischen den Leitern (3,
4) angeschlossen ist, um eine stabilisierte
Gleichstromleistungsversorgung für das Sensorgerät
und die Signalprozessoreinrichtung zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bezugsspannung von einem Spannungsteiler (31)
abgeleitet wird, der quer über die Gleichstromversorgung (21,
22) geschaltet ist.
7. Reststromunterbrechungsschaltung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoreinrichtung ein Sensorgerät mit einem
Kernteil (1) aufweist, das einen im wesentlichen geschlossenen
magnetischen Kreis mit einem Luftspalt
festlegt, und ein Hall-Effekt-Element (2) aufweist,
das in dem Luftspalt liegt, wobei die beiden Leitern (3,
4) spulenförmige Abschnitte aufweisen, die um
das Kernteil gewickelt sind.
8. Reststromunterbrechungsschaltung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Wechselstromkopplung (25) vorgesehen ist,
um Gleichstromkomponenten im Ausgangssignal des
Hall-Effekt-Elementes (2) zu entfernen.
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