DE1588292A1 - Schutzschaltung - Google Patents

Description

BESGHEEIBUNG zur Patentanmeldung der Firma HARVEX HUBBELL, IHO., Bridgeport, Connecticut/USA,

betreffend:
"Schutzschaltung"

Die Erfindung betrifft eine Zustandsfühlschaltung, vorzugsweise eine Schaltung zur Anzeige einer Änderung eines bestimmten Unterschiedes zwischen zwei oder mehreren Strömen. Insbesondere dient die Erfindung zur Schaffung einer Schutzschaltung, welche nach einem Ansprechen leicht wieder in Betrieb zu setzen und billig ist.

Bei vielen Anwendungsfällen in der Industrie und im Haushalt ist es erwünscht, daß eine Schaltung einen Schutz gegen bestimmte Ausfälle und Anomalitäten liefert. Derartige Anomalitäten umfassen Stromüberlastungen, Kurzschlüsse und

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Erdschlüsse. Es ist auch günstig, eine Einrichtung zu verwenden, welche einen Schutz gegenüber grösseren Fehlern, beispielsweise starken Überlastungen und Kurzschlüssen, und kleineren Fehlern, beispielsweise kleineren Stromstöasen, Kurzschlüssen oder Isolierströmen liefert. Es ist auch günstig, wenn in derartigen Schaltungen von Hand zu betätigende Bauelemente vorgesehen sind, um die Schaltungen leicht und sicher wieder in Betrieb zu setzen bzw. zurückzustellen, wenn einmal ein Fehler beseitigt wurde. Die Schaltung sollte auch billig sein, um eine weitgehende Marktfähigkeit zu erreichen und die damit erzielten Vorteile einer großen Bevölkerungszahl zukommen zu lassen.

Unter den Anwendungsfällen für eine derartige Schaltung wäre der Schutz von Schwimmern in einen Banale zu erwähnen, welches durch Unterwasserlampen ausgeleuchtet i3t.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist demgemäß die Schaffung einer auf grössere und kleinere Schal tungsanoE-ali tat en ansprechenden Schutznchaltung, welche billig als vergleichbare bekannte Schaltungen ist, einen wirksamen Schutz gegenüber kleineren und grösseren Schaltkreisanosalitäten bietet und leicht sowie sicher wieder in Betrieb gesetzt bzw, zurückgestellt werden kann, wenn einiial vorliegende fehler beseitigt wurden.

Erfindungsgemäß umfaßt eine Schutzschaltung einen sehr empfindlichen und einen im wesentlicher, weniger empfindlichen Sicherheitsschalter. Der sehr eEipfindliche Schalter wird in Abhängigkeit von Schaltkreisanomalitäten betätigt, um den weniger empfindlichen Schalter zu betätigen. Der weniger empfindliche Schalter schaltet darauf 3en Stromkreis oder die zu schützende Einrichtung von der Energieversorgung ab.

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Bin Hilfsstromkreis wird verwendet, um den sehr empfindli-. eben Schalter zurücksustellen» wenn einmal der Fehler beseitigt wurde. Dieser Rüekstellhilfsstromkreiß ermöglicht, daß die Rückstellfunktion ohne Rückeicht auf den Zeitpunkt fler Betätigung innerhalb der Phasenlage der Yersorgunga-8panmrag durchgeführt wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bs zeigen:

Pig. i ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung,

Fig. 2 Diagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. 1,

Pig. 3 Stromdiagramme zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Schaltung nach Pig. 1,

Pig. 4 ein abgeändertes Ausführungsbeieplel einer erfindungsgemäßen Schaltung.

Gemäß'Pig. 1 sind mehrere Eingangsanochlüsse 1, 2, 3 vorgesehen, von denen der Anschluß 1 geerdet ist. Eine Ansah! von AusgangBanschlüssen 4, 5, 6 ist mit den Anschlüssen 1, 2, 3 gekoppelt. Ein Verbraucher beliebiger Art kann an die Ausgangsanscnlüsse angeschlossen sein.

Zwei Wicklungen 7, 8 liegen zwischen Anschlüssen 2 und 5 bnw. Anschlüssen 3 und 6. Die Wicklungen befinden sich auf einem geoeinsamen Kern 9. Obgleich die Wicklungen 7, 8 als um den Kern 9 gewickelt dargestellt sind, könnten sie auch durch den Kern verlaufen und im Ergebnis aus einer einzigen Windung bestehende Primärwicklungen bilden. Eine Sekundär-

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wicklung 10 ist ebenfalls um den Kern 9 gewickelt. Die Wicklungen 7, 8 sind so gegenüber dem Kern gewickelt, daß ihre entsprechenden Magnetfelder bei Durchsetzung mit gleichen Strömen einander auslöschen. Wenn irgendein Fehlausgleich in den die Wicklungen 7, 8 durchsetzenden Strömen vorliegt, induziert das resultierende Magnetfeld in dem Kern 9 einen Strom in der Sekundärwicklung oder Detektorspule 10, welcher auch durch eine Wicklung 13 fließt. Die Wicklung 13 befindet sich in unmittelbarer Nähe zu einem sehr empfindlichen Blattfederschalter 12, welcher durch sehr schwache Magnetfelder betätigt wird. Ebenfalls in Nähe des Schalters 12 ist ein Verriegelungsmagnet 21 vorgesehen. Der Magnet 21 erzeugt ein Vorspannungsinagnetfeld, welches den Blattfederschalter schließt und dabei dessen Empfindlichkeit gegenüber dem seitens der Wicklung 13 erzeugten Magnetfeld steigert. Der Magnet 21 dient auch zur Verriegelung des Blattfederschalters in Schließstellung, wenn er einmal durch die Wicklung 13 betätigt wurde. In Reihe zu der Wicklung 7 zwischen den Anschlüssen 2, 5 liegt ein normalerweise geschlossener Schaltschütz 11. Der Schaltschütz 11 wird durch ein Solenoid 15 betätigt, welches in Reihe mit einem Strombegrenzerwiderstand 16 und dem Blattfederschalter 12 an den Verbraucheranachlüssen 5, 6 liegt.

Die Wirkungsweise der insoweit beschriebenen Schaltung ergibt sich am besten aus Fig. 2 in Verbindung mit Pig. 1. Pig. 2a zeigt das Magnetfeld in der Nabe des Blattfederschalters 11, Pig. 2b den geschlosnenen oder geöffneten Zustand des Scheitere 12. Die obere horizontale Linie von Pig. 2a, als "Auslösopegel" bezeichnet, ergibt den Wert des Magnetfeldes in der Nähe des Schalters 12, welches erforderlich ist, um den Schalter 12 in 3 eine Schließstellung auszülenkeu. Die horizontale Linie, welche als "Vorspcnnungsmagnet 21" bezeichnet ist, zeigt den ständigen Zu-

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stand des in der Nähe des Schalters 12 durch die Anwesenheit des Vorspannungsmagneten vorliegenden Magnetfeldes. Die unterste horizontale Linie, als "Freigabepegel" bezeichnet, gibt den niedrigsten Wert des Magnetfeldes an, welcher den Schalter 12 in Schließstellung hält, wenn er einmal ausgelöst wurde. Die ausgezogene Kurve in Pig. 2a gibt das auf den Blattfederschalter 12 wirkende gesamte resultierende Feld wieder.

Unter der Annahme, daß in dem Verbraucherstromkreis keine Anomalitäten vorliegen, wirkt auf die Kontakte des Blattfederschalters lediglich ein durch den Vorspannungsmagneten 21 erzeugtes, mit 25 bezeichnetes Magnetfeld ein. Unter der Annahme, dass ein Fehler, beispielsweise ein Erdstrom, an " der Verbraucherseite der Schaltung nach Fig. 1 auftritt, kehrt ein Teil des Rtlckf übrstromes, welcher normalerweise fließt, beispielsweise vom Anschluß 6 zum Anschluß 3 durch die Wicklung 8, über die äussere Erdverbindung zurück. Dies erzeugt einen Fehlausgleich zwischen den Strömen in den Wicklungen 7, 8, so daß das resultierende Magnetfeld in d8m Kern 9 einen Strom in der Detektorspule 10 und der Wicklung 13 induziert. Die Wicklung 13 erzeugt darauf ein Magnetfeld mit einer Stärke, welche von den durch den Fehler erzeugten Amperewindungen abhängt. Dieses Magnetfeld wird demjenigen überlagert, welches durch den Vorepannungsmagneten 21 erzeugt wird, was zyklische Fluktuationen gemäß Fig. 2a bedingt. Wenn diese zyklischen Fluktuationen den Auslösepegel an dem Punkt 26 überschreiten, erfolgt . eine Betätigung des Blattfederschalters 12 in seine Schließstellung gemäß Fig. 2b. Die Kontakte des Schalters 12 verbleiben alsdann wegen ihrer Verriegelungs- oder Einrastwirkung des Vorspannungsmagneten 21 geschlossen. Wenn der Blattfederschalter 12 schließt, verläuft ein Strom durch die Wicklung 7, den Schalter 11, das Solenoid 15, den Wider-

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stand 16, den Schalter 12 und die Wicklung 8. Der das Solenoid 15 durchsetzende Strom bewirkt, daß dieses den Schalter 11 öffnet und hierbei die Verbraucheranschlüsse 5» 6 abschaltet.

Wenn einmal der 3?ehler beseitigt wurde, muß die Schutzschaltung wieder in Betrieb gesetzt bzw. zurückgestellt werden. In vielen Schutzschaltungen kann dies durch von Hand erfolgende Schließung des Schalters 11 erreicht werden. Da der Vorspannungsmagnet 21 indessen die Kontakte des Blattfederschalters 12 in der Schließstellung verriegelt hat, würde eine Schließung des Schalters 11 lediglich bewirken, daß die Schutzschaltung erneut anspricht und den Schalter 11 wieder öffnet.

Bei einigen bekannten Schaltungen umfaßt der Eückstellkreio eine Serienkombination einer Diode und einer Rückstellwicklung nahe dem Blattfederschalter zum Aufbau eines Magnetfeldes genügende Stärke zwecks öffnung des Blattfederschalters. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß bei Betätigung des Rückstellmechanismus zum Zeitpunkt, wenn die Eingangswechselspannung nicht die richtige Polung aufweist, die Schutzschaltung wiederum ausgelöst wird. Bs ist daraufhin notwendig, den Rückstellknopf ein oder mehrmals von neuem zu drücken in der Hoffnung, daß der Zeitpunkt seiner Wirkung während der richtigen Halbwelle der Eingangßspannung auftritt.

Erfindungsgemäß ist ein Rückstellsubstromkreis vorgesehen, welcher eine Rückstellung der Schutzschaltung sicherstellt, ohne Rücksicht auf den Zeitpunkt innerhalb des Eingangsspannungszyklus, in welchem die Rückstellung durchgeführt wird. Ferner kann der Rückstellschalter und Schaltschütz ein einfacher Ein/Ausschalter sein, welcher die Kosten der

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Schaltung wesentlich reduziert. Der erfindungsgemäße Rück» stellsubstromkreis umfaßt eine Hilfewicklung 14 nahe den . Blattfederschalter 12, welche mit dein Ausgang einer VoIlweggleichrichterbrücke 1Θ Über einen Kondensator 22 verbunden ist. An dem Ausgang der Brücke sowie parallel zu dem Kondensator 22 und der Hilfswicklung 14 liegt ein Widerstand 19· Der Eingang zu dieser Brücke wird von den VerbraucheranschlUssen 5, 6 über einen Strombegrenzerwiderstand 17 geliefert.

Aus Fig. 1-3 ergibt sich die Wirkungsweise des Rückstellsubatromkreisee nach der !Erfindung. Der Zweck dieses Substromkreises liegt in der Reduzierung des auf den Schalter 12 wirkenden Magnetfeldes auf einen Wert unterhalb des Freigabepegel8 gemäß Fig. 2a. Um dies au erreichen, ist es notwendig, eine genügende Anzahl von Amperewindungen vorliegen zu haben. Da die Anzahl von Windungen der Hilfswicklung 14 festliegt, bedeutet dies, daß ein Strom in ausreichendem Haß zugeführt werden muß. Ferner muß dieser Strom vorübergehender Natur sein, so daß nach dem Offnen der Kontakte des Schalters 12 diese für den nachfolgenden Betrieb bereit sind. Es sei nun angenommen, daß der Fehler im Stromkreis beseitigt wurde und der Schalter 11 von Hand während der positiven Halbwelle der Hetzwechselspannung geschlossen wird. Es wird danach ein Stromkreis durch den Widerstand 17, die Diode 18a, den Widerstand 19 sowie die Diode 13d aufgebaut. Das an dem Widerstand 19 erzeugte Potential bewirkt, daß ein Stromimpuls durch den Kondensator 22 und die Hilfswicklung 14 verläuft. Das seitens dieses Strompulses durch die Wicklung 14 erzeugte Magnetfeld ist dem durch den Vorspanmmgsmagneten 21 erzeugten Feld entgegengerichtet, so daß aas resultierende Magnetfeld gemäß Fig. 2a auf einen ^larch die Bezugsziffer 27 veranschaulicht, «τ ^tr rt reduziert wird, Wenn das resultierende Feld

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unter den Freigabepegel abfällt, bewirkt die natürliche lachgiebigkeit der Blattfederschalterkontakte dee Schalters ' 12 deren Öffnung. Alternativ kann das resultierende Feld durch einen Hullwert verlaufen -und eine positive Öffnungswirkung auf die Kontakte des Blattfederschalters 12 ausüben. Sas Solenoid 13 und der Schalter 11 mit einer hohen Trägheit und Induktivität können nicht so schnell wie der Blattfederschalter auf den Strom ansprechen. Wenn demnaoh der Schalter 12 wieder geöffnet wird, erfolgt eine Aufhebung des Ansprechens des Sohaltere 11, so daß dieser nicht öffnet. Eine typische Ansprechzeit für den Schalter 12 liegt in der Größe von 1 Millisekunde, während diejenige des Schaltschützes bzw*. Schalters 11 und des Solenoids 15 einige Millisekunden beträgt. Aus Pig. 2a ergibt sich, daß nach Erreichen des unteren Punktes des Hagnetfeldes dieses danach gemäß einer schnellen Exponentialfunktion auf den seitens des Vorspannmagneten 21 gebildeten Pegel wieder hergestellt wird. Die besondere Form des Exponentialabfalls des Stromimpulses wird durch die Zeitkonetante erzielt, welche durch den Wert des Kondensators 22 und die Werte der Widerstände 17t 19 bestimmt ist.

Die Art, in welcher der Bückstellstromlmpuls erzeugt wird, ergibt eich genau aua flg. 3. Fig· 5a stellt hierbei die Sinuswelle der Wechselspannung von einen Zeitpunkt 27 an dar, bei welchen der Schalter 11 geschlossen wird. Fig. 3b «βigt eine Impulsfolge 28a, 28f, welche an des Ausgang der Tollweggleichrichterbrücke 18 erzeugt wird. Eine Enveloppe 29 stellt somit den Strom dar, welcher durch den Kondensator 22 zu der Hückstellwioklung H fließt.

Wenn der Schalter 11 während der negativen Halbwelle der Eingangsepannung von Band geschloseen wird, verläuft der Eingangeatron ssu der Brücke 18 durch die Diode 18c, den

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Widerstand 19» die Diode 18b sowie den Widerstand 17· Die an dem Widerstand 19 auftretende Spannung hat jedoch gleiche Polung wie in vorliegenden Pail» so daß der resultierende Stromimpuls und das aufgebaute Magnetfeld gleiche Richtung aufweisen und eine Wideröffmrag des Schalters 12 in gleicher Weise stattfindet*

Der Rückstellstromkreis nach der Erfindung kann zu beliebiger Zeit mit Sicherheit in Betrieb gesetsst werden» und wiederholte Versuche sind unnötig. Ein bestimmter Fehlausgleich In den Strömen durch die Wicklungen 7, 8 betätigt die Schutzschaltung ohne Rücksicht auf den Grund des Pehlausgleichs. Unter den Gründen eines solchen Pehlauegleichs wäre insbesondere ein Erdstrom zu erwähnen. Ein derartiger Erdstrom kann sieh beispielsweise durch eine Person oder ein !Eier zwischen irgendeiner Zuleitung und Erde ergeben. Ohne Rücksicht auf den Grund wirkt die erfindungsgem&Be Schutzschaltung unmittelbar. Bei Ausf Uhrungefora nach PIg.1 sind die einzelnen Bauelemente in der nachfolgend zusammengestellten Weise ausgelegt und ergeben hierbei günstige Ergebnisse, was indessen nicht bedeutet, daß bei anderer Auslegung die Ergebnisse nicht ebenso gut oder besser sein können.

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Bauteil Hr. Auslegung

11, 15 Schaltschutz Typ Heinemann P8

12 Blattfederschalter Typ Gordos 306

15 72 Wind, aus # 20-Drabt 14 1000 Wind, aus & 38-Draht

16 270 Ohm, 2 Watt

17 750 Ohm, 1/2 Watt

18a, 18b alle Dioden vom Typ 1K645

18c, 18d " « » η η

19 220,000 Ohm, 1/2 Watt

22 2 MF, 200 Volt.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 ist in vieler Beziehung derjenigen nach Mg. 1 ähnlich, und ähnliche Bauelemente sind mit ähnlichen Bezugsbezeichnungen versehen. Der Hauptunterschied bei der Schaltung liegt darin, daß die Wicklungen 7, 8 auf getrennte Kerne 30, 31 gewickelt sind und daß jeder Kern wiederum mit einer besonderen Sekundärwicklung 32, 33 versehen ist. Die Sekundärwicklungen liegen in Reihe miteinander und mit der Wicklung 13. Im normalen Betrieb werden gleiche und entgegengerichtete Ströme in den Wicklungen 32, 33 induziert, so daß kein Magnetfeld durch die Wicklung 13 erzeugt wird. Mach dem Auftreten eines Fehlausgleichs Indessen ergibt der resultierende Strom das notwenige Auslöaefeld an der Wicklung 13. Die Schaltung nach Fig. 1 ist aber gegenüber derjenigen nach Fig. 4 vorzuziehen, well eine praktische Schwierigkeit besteht, einen , richtigen Ausgleich zwischen den Kernen 30, 31 und deren entsprechenden sekundären Wicklungen herbeizuführen.

PATENTANSPRÜCHE; 00982170718

Claims (7)

158823-2 PATENTANSPRÜCHEt

1. Schutzschaltung für einen an einer Spannung liegenden Stromverbraucher mit eines ersten Schalter und einen damit gekoppelten, normalerweise geschlossenen zweiten Schalter, welcher wesentlich weniger empfindlich als der erste Schalter ist, induktiven Bauelementen eur Ansteige eines bestimmten Pehlauegleichs in den Strumen, die in den zu schUtsenden Verbrauoherstromkreis und aus diesem heraus fliessen, wobei die induktiven Bauelemente den ersten Schalter in Abhängigkeit Ton dem angezeigten Pehlausgleioh betätigen und der erste Schalter darauf eine Öffnung des · «weiten Schalters bedingt, um den Verbrauoherstromkreis von einer Versorgungswechaelspannung abzuschalten, gekennzeichnet durch Bauelemente (14, 18, 22) sur Rückstellung des ersten Schalters (12) in Abhängigkeit von der WiederschlieBung des zweiten Schalters (11) nach Fortfall des 9ehlausgleichs ohne Rücksicht auf die Phasenlage der Wechselspannung, bei welcher die Wiederschließung stattfindet.

2. Schaltung nach Anspruch 1_V dadurch gekennzeichnet, dafi die Hücketellbautlenent· «inen Vollweggleionritiater (18) umfassen» welcher an dem erstem und «weiten' Schalter (11 bzw. 12) liegt und auch sin in dessen Stromkreis liegendes sowie nahe dem ersten Schalter (12) angeordnetes induktives Bauelement (H) u»faßt, te den ersten Schalter (12) in Abhängigkeit von der Wiedereinschaltung der Versorgungespannung für den Verbraucher durch WiederschHeBung des

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- 12 -zweiten Schalters (11) zu öffnen.

3. Schaltung nach einen der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalter (12)' ein Verriegelungs- bzw. Einrastelement (21) umfaßt und daß das induktive Bauelement (H) wirksam wird, bevor der zweite Schalter

(11) sich in Abhängigkeit von der Wiedereinschaltung der Spannung wieder zu öffnen vermag, so daß die Entriegelung des ersten Schalters (12) eine Beaufschlagung des zweiten Schalters (11) und dessen Wiederöffnung verhindert.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine erste und zweite Wicklung (7, 3), welche zwischen der Eingangsspannung (Anschlüsse 2, 3) und dem Verbraucherstromkreis (Anschlüsse 5, 6) liegen, wobei die Wicklungen (7, 8) ungleiche und entgegengerichtete Hagnetfelder erzeugen, wenn infolge der Stromkreisanomalität die entsprechenden durchsetzenden Ströme in einem vorgegebenen Naß ungleich sind, und auf die ungleichen Felder ansprechende Bauelemente (10, 13) zur Anlegung des Differenzfeldes zwecks Betätigung des ersten Schalters (12).

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-4-, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Öffnung des ersten Schalters

(12) dienende induktive Bauelement (H) in Form einer Wicklung ausgebildet und an den Gleichrichter (18) über einen Kondensator (22) angekoppelt iat.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schalter (11) durch ein mit einem Pol desselben verbundenes SoletiOid (15) zur Schalteröffnung beaufschlagt ist und daß ein Pol ueo ersten Schalters (12) mit einem Pol des zweiten Schalters (11) verbunden ist.

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7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch Impulserzeugungsmittel (17» 19)» welche von dem Yerbraucherstromkreis (Anschlüsse 5» 6) beaufschlagbar sind, um einen Übergangsgleichstroin zu der Rückstellwicklung (H) ohne Rücksicht auf die gerade herrschende Polung der
Verbraucherspannung zur Zeit der Schließung zu liefern.

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