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Die Erfindung betrifft einen Stromwandler mit einem, einem Primärleiter zugeordneten
Magnetkreis sowie einer Sekundärwicklung, die dazu dient, einen Sekundärstrom zur
Betätigung eines Auslöserelais zu liefern.
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Die Stromwandler bekannter Bauart wandeln einen, durch den Leiter eines zu schützenden
Netzes fließenden hohen Primärstrom in einen Sekundärstrom zur Versorgung von
Stromkreisen und eines Auslöserelais um. Solche Stromwandler arbeiten normalerweise mit
Wechselstrom. Bei bestimmten Auslösern wird der sekundärseitige Wechselstrom auch dazu
verwendet, Schutzschaltungen mit einem Meßsignal zu beaufschlagen.
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Bei Gleichstromnetzen sind die Stromwandler bekannter Bauart weder in der Lage, in
effizienter Weise ein Meßsignal noch eine ausreichende Energie zur Versorgung von
Stromkreisen oder eines Auslöserelais zu liefern. In diesem Fall sind eine
Hilfsenergiequelle sowie eine zusätzliche Strommeßeinrichtung erforderlich. In der Nähe
von Leistungsschaltern, die eine solche Hilfsenergiequelle umfassen, können jedoch starke
Kurzschlüsse auftreten. Dabei kann die Netzspannung abfallen und ein Absinken der von
der Hilfsenergiequelle gelieferten Spannung bewirken. Ein solches Absinken der Spannung
kann zu Fehlauslösungen der Auslöser führen, und die Spannung wird ggf. zu klein, um die
Versorgung des Auslöserelais zur Abschaltung des Leistungsschalters bewirken zu können.
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Stromwandler können bei einer starken Änderung des Primärstroms einen Sekundärstrom
liefern, selbst wenn der genannte Primärstrom ein Gleichstrom ist. Der Sekundärstrom
hängt von der Änderung des Primärstroms ab. Er kann zur Ansteuerung des Auslöserelais
eines Leistungsschalters dienen, wenn die genannte Änderung stark genug ist. Im
Kurzschlußfall erfolgt eine solche Auslösung jedoch erst dann, wenn die Änderung des
Primärstroms über die Zeit (dIp/dt) einen hohen Wert überschreitet.
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Ziel der Erfindung sind ein Stromwandler, insbesondere für Gleichstrom, der einen
Sekundärstrom liefert, wenn der Primärstrom einen bestimmten Wert überschreitet, sowie
ein Auslöser und ein Leistungsschalter, die mit einem solchen Stromwandler bestückt sind.
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Der Magnetkreis des Stromwandlers umfaßt erfindungsgemäß einen beweglichen Teil und
einen feststehenden Teil, welcher bewegliche Teil eine erste Offenstellung entsprechend
einem offenen Magnetkreis mit einem breiten Luftspalt sowie eine zweite Schließstellung
entsprechend einem geschlossenen Magnetkreis mit einem kleinen oder keinem Luftspalt
aufweist, wobei der bewegliche Teil von der ersten Offenstellung in die zweite
Schließstellung übergeht, wenn ein im Primärleiter fließender Primärstrom einen
festgelegten Wert überschreitet.
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Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung umfaßt der Stromwandler
Einstellmittel, die ein parallel zum beweglichen Teil des Magnetkreises angeordnetes
magnetisches Nebenschlußeisen mit Luftspalt umfassen.
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Nach einer ersten besonderen Ausgestaltung ist der bewegliche Teil als mit einer
Rückstellfeder verbundener Magnetanker ausgebildet, welcher Magnetanker durch
Stützmittel in seiner ersten Offenstellung positioniert wird und in seiner Schließstellung an
einem feststehenden Teil des Magnetkreises anliegt.
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Nach einer zweiten besonderen Ausgestaltung ist der bewegliche Teil als in bezug auf einen
ersten feststehenden Teil des Magnetkreises verschiebbarer Magnetkern ausgebildet,
welcher Kern in seiner ersten Offenstellung einen Luftspalt großer Breite in bezug auf einen
zweiten feststehenden Teil des Magnetkreises und in seiner Schließstellung einen schmalen
bzw. keinen Luftspalt in bezug auf den genannten zweiten feststehenden Teil aufweist.
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Eine Spule der Sekundärwicklung ist vorzugsweise um den Schiebekern gewickelt.
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Für hohe Ströme im Primärleiter umfaßt der Magnetkreis mehrere verteilte Luftspalte.
Ein erfindungsgemäßer Auslöser umfaßt mindestens einen Stromwandler und ein an eine
Sekundärwicklung des genannten Stromwandlers angeschlossenes Auslöserelais.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfaßt der Auslöser dem Stromwandler zugeordnete
Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lageänderung des beweglichen Teils des
Magnetkreises, welche genannten Mittel mit dem Auslöserelais verbunden sind, um die
Betätigung des Relais zu bewirken, wenn der Stromwandler einen Sekundärstrom liefert.
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Der Auslöser umfaßt vorzugsweise eine an das Auslöserelais angeschlossene
Verarbeitungseinheit sowie dem Stromwandler zugeordnete und an die Verarbeitungseinheit
angeschlossene Meßmittel, die ein den Strom im Primärleiter abbildendes Signal liefern.
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Ein erfindungsgemäßer Leistungsschalter umfaßt mindestens einen Stromwandler sowie mit
dem Stromwandler verbundene Einstellmittel zur Einstellung des festgelegten Stromwerts,
bei dem der bewegliche Teil von seiner ersten Offenstellung in seine zweite Schließstellung
übergeht.
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Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und
Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
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- Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Leistungsschalters mit einem Auslöser und
Stromwandlern bekannter Bauart;
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- Fig. 2 das Schaltbild eines Stromwandlers gemäß einer ersten Ausgestaltung der
Erfindung;
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- Fig. 3 Arbeitskennlinien eines Stromwandlers gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
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- Fig. 4 und 5 Darstellungen eines Stromwandlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung der
Erfindung;
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- Fig. 6 und 7 Darstellungen eines Stromwandlers gemäß einer Variante der Ausgestaltung
nach Fig. 4 und 5;
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- Fig. 8 das Schaltbild eines Stromwandlers gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung mit
einer Schwellwert-Einstellvorrichtung;
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- Fig. 9 eine Darstellung eines Stromwandlers gemäß Fig. 8 mit einer Schwellwert-
Einstellvorrichtung;
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- Fig. 10 das Schaltbild eines Stromwandlers gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
mit einem Meßfühler zur Erfassung einer magnetischen Kenngröße;
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- Fig. 11 und 12 Darstellungen eines Stromwandlers gemäß Fig. 10 mit mehreren
verteilten Luftspalten.
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Entsprechend dem Schaltbild in Fig. 1 umfaßt ein Leistungsschalter nach dem bisherigen
Stand der Technik zwei Kontakte 2 zur Herstellung oder Unterbrechung des Stromflusses in
einem zu schützenden Netz 3. Der Leistungsschalter umfaßt darüber hinaus eine
Verarbeitungseinheit 4, die mit einem von Stromwandlern 5 gelieferten Sekundärstrom Is
beaufschlagt wird, welche Stromwandler um das Netz 3 einspeisende Primärleiter 6 geführt
sind.
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Die Verarbeitungseinheit 4 verarbeitet das Sekundärstromsignal und steuert ein
Auslöserelais 7 an, wenn das genannte Signal einen festgelegten Schwellwert während einer
festgelegten Zeitdauer überschreitet. Das Relais 7 bewirkt über einen
Ausschaltmechanismus das Öffnen der Kontakte 2.
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Die Stromwandler 5 liefern sowohl das Meßsignal als auch die zur Versorgung der
Verarbeitungseinheit und des Relais erforderliche Energie. Stromwandler bekannter Bauart
funktionieren im allgemeinen gut, wenn der Strom im Primärleiter ein Wechselstrom ist. Ist
der Primärstrom jedoch ein Gleichstrom, reicht der gelieferte Strom zur Versorgung der
Verarbeitungseinheit und zur Ansteuerung des Relais nicht aus.
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Die Versorgung der Verarbeitungseinheit kann durch eine Hilfsenergiequelle gewährleistet
werden. Eine unverzögerte Kurzschlußauslösung muß jedoch hilfsenergieunabhängig
erfolgen können.
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Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Stromwandlers, der in der Lage
ist, die Versorgungsenergie für ein Relais ohne Inanspruchnahme einer Hilfsenergiequelle
bereitzustellen. Diese Art von Stromwandler eignet sich besonders für Gleichströme, kann
jedoch auch für Wechselströme verwendet werden.
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Der Stromwandler aus Fig. 2 umfaßt einen Magnetkreis 8 mit einem feststehenden Teil 9
und einem beweglichen Teil 10. Die Magnetkreisanordnung ist um einen Primärleiter 6
geführt, der von einem Strom Ip eines zu schützenden Netzes durchflossen wird. Eine um
einen Teil des Magnetkreises 8 geführte Sekundärwicklung 11 ist mit dem Auslöserelais 7
verbunden.
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Der als Anker ausgebildete bewegliche Teil des Magnetkreises ist in einer Offenstellung
dargestellt. In dieser Stellung ist der bewegliche Teil 10 vom feststehenden Teil 9 durch
zwei Luftspalte 12a und 12b getrennt, die an zwei Enden des genannten feststehenden Teils
ausgebildet sind. Die Luftspalte 12a und 12b sind breit, solange der bewegliche Teil sich in
der Offenstellung befindet. Der bewegliche Teil wird durch eine Rückstellfeder 26 sowie
durch zwei Anschläge 27a und 27b in der Offenstellung gehalten.
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Solange der Strom Ip im Primärleiter 6 unterhalb eines festgelegten Werts SIp bleibt,
verharrt der bewegliche Teil 10 in seiner Offenstellung. Sobald der Strom Ip im
Primärleiter jedoch den festgelegen Schwellwert SIp überschreitet, wird der bewegliche Teil
in Richtung des feststehenden Teils angezogen. Dies hat eine starke Änderung des
magnetischen Flusses im Magnetkreis zur Folge. Durch diese Flußänderung wird in der
Wicklung 11 ein Sekundärstrom (Is) induziert, der das Auslöserelais 7 beaufschlagt, um die
Abschaltung der Kontakte 2 zu bewirken.
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Der Schwellwert, bei dem die Anziehung des beweglichen Teils in Richtung des
feststehenden Teils erfolgt, hängt insbesondere von der Breite der Luftspalte ab. Zur
Anpassung des festgelegten Schwellwerts Ips können Einstellmittel verwendet werden, die
beispielsweise auf die Anschläge wirken, um die Breite der Luftspalte zu verändern.
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Fig. 3 zeigt Arbeitskennlinien eines Stromwandlers gemäß einer Ausgestaltung der
Erfindung. In einem ersten Abschnitt C1 der Kennlinie steigt der Primärstrom Ip schnell
und danach in einem zweiten Abschnitt C2 langsamer an. Bei einem schnellen Anstieg des
Primärstroms Ip bewirkt die Stromänderung eine Änderung des magnetischen Flusses im
Wandlerkern sowie die Induktion eines Sekundärstrom Is, der durch Abschnitt C3 der Is-
Kennlinie dargestellt ist. Sobald der Strom Ip im Primärleiter einen festgelegten
Schwellwert SIp überschreitet, wird der bewegliche Teil 10 des Magnetkreises in Richtung
des feststehenden Teils 9 angezogen. Dadurch kommt es zu einer starken Flußänderung im
Magnetkreis, die einen hohen Sekundärstrom Is in der Sekundärwicklung 11 zur Folge hat.
Mit diesem in Fig. 3 in Abschnitt C4 der Is-Kennlinie dargestellten Sekundärstrom wird
das Relais 7 beaufschlagt, um die Abschaltung der Kontakte 2 zu steuern.
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Nach vorzugsweisen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Stromwandlers ist der
bewegliche Teil als Schiebekern 13 ausgebildet. Die Fig. 4 bis 7 zeigen Stromwandler,
deren bewegliche Teile als Schiebekerne 13 ausgebildet sind. Bei diesen Ausgestaltungen
gleitet der Kern 13 in einer Öffnung 14 eines ersten feststehenden Teils 9a des
Magnetkreises sowie im Innern einer Spule der Sekundärwicklung 11. Zwischen einem
Ende des Kerns und einem zweiten feststehenden Teil 9b des Magnetkreises ist eine
Rückstellfeder 15 angeordnet, um die Aufrechterhaltung eines Luftspalts 12 zwischen dem
durch den genannten Kern gebildeten beweglichen Teil 13 und dem genannten feststehenden
Teil 9b zu gewährleisten.
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Der in Fig. 6 und 7 dargestellte Stromwandler weist eine kompaktere Form auf als der
Wandler aus Fig. 4 und 5. Diese unterschiedlichen Formen sind an die entsprechenden, in
den Leistungsschaltern ausgebildeten Einbauräume für die Stromwandler angepaßt.
Die Einstellung des festgelegten Schwellwerts erfolgt beispielsweise durch Veränderung der
Breite des Luftspalts 12 in der Offenstellung des durch den Kern 13 gebildeten beweglichen
Teils. Bei einer Änderung der Luftspaltbreite besteht jedoch die Gefahr, daß sich die Werte
der Sekundärstromimpulse Is ebenfalls ändern. Außerdem kann sich je nach Anordnung der
Stromwandler im Leistungsschalter eine Einstellung der Kernposition kompliziert gestalten.
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Nach erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines Stromwandlers erfolgt die Einstellung des
Schwellwerts vorzugsweise durch ein parallel zum beweglichen Teil des Magnetkreises
angeordnetes magnetisches Nebenschlußeisen mit Luftspalt.
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Ein Stromwandler, der eine Einstellvorrichtung mit Nebenschlußeisen umfaßt, ist in Fig. 8
dargestellt. Die Einstellvorrichtung umfaßt ein magnetisches Nebenschlußeisen 16, das
relativ zu einem ersten feststehenden Teil 9a des Magnetkreises verschoben werden kann
und in bezug auf einen zweiten feststehenden Teil 9b des genannten Magnetkreises einen
Luftspalt 17 aufweist.
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Das Nebenschlußeisen ist beispielsweise mit Einstellorganen 18 eines Leistungsschalters
mechanisch verbunden.
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Bei diesem Stromwandler sind der bewegliche Teil 13 mit dem zugehörigen Luftspalt 12
sowie das magnetische Nebenschlußeisen 16 mit seinem Luftspalt 17 zwischen dem ersten
feststehenden Teil 9a und dem zweiten feststehenden Teil 9b des Magnetkreises parallel
zueinander angeordnet. Die Aufteilung des magnetischen Flusses zwischen dem
Nebenschlußeisen und dem Kern hängt von der Breite der Luftspalte 12 bzw. 17 ab. Die
Breite des Luftspalts 12 wird in der Offenstellung des beweglichen Teils durch einen
Anschlag 19 bestimmt, der den Kern positioniert, wenn er durch die Feder 15 in Richtung
des ersten feststehenden Teils 9a gedrückt wird.
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Ist das Nebenschlußeisen vom zweiten feststehenden Teil 9b zurückgezogen, weist der
Luftspalt 17 eine große Breite auf und der magnetische Fluß verläuft hauptsächlich durch
den Kern und den Luftspalt 12. Der Schwellwert für die Anziehung des Kerns ist dann
niedrig, und der Sekundärstrom wird bei einem niedrigen festgelegten Schwellwert des
Primärstroms erzeugt.
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Bei einer hohen Schwellwerteinstellung wird das Nebenschlußeisen 16 näher an den zweiten
feststehenden Teil 9b herangeführt. Der Luftspalt 17 weist dann eine geringe Breite auf,
und ein Großteil des magnetischen Flusses verläuft durch das Nebenschlußeisen 16. Das
Magnetfeld im Luftspalt 12 ist in diesem Fall schwächer. Um eine Anziehung des
beweglichen Teils in Richtung des feststehenden Teils des Magnetkreises zu bewirken, muß
der Primärstrom Ip daher größer sein.
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Bei einer Primärstromänderung ohne Überschreitung des Schwellwerts sollte das Relais
vorzugsweise nicht mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden. Gemäß Fig. 3
erzeugt der Bereich C1 des Primärstroms Ip beispielsweise einen Sekundärstrom Is
entsprechend dem Abschnitt C3 der Kennlinie. Dieser Strom kann ggf. die Ansteuerung des
Relais bewirken, ohne daß der Schwellwert SIp überschritten ist.
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Um eine Ansteuerung des Relais 7 unterhalb des Schwellwerts zu verhindern, umfaßt der
Stromwandler aus Fig. 8 einen dem Kern 13 des beweglichen Teils zugeordneten
Positionsgeber 20.
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Der Positionsgeber 20 kann beispielsweise als mit dem Relais 7 oder der Sekundärwicklung
11 verbundener elektrischer Kontakt ausgebildet sein, der die Ansteuerung des Relais durch
den Sekundärstrom Is verhindert, solange der Kern nicht angezogen ist. Bei der Schaltung
in Fig. 8 ist der Kontakt 20 geschlossen, solange der bewegliche Teil in der Offenstellung
steht. In dieser Stellung wird der in der Sekundärwicklung 11 induzierte Strom Is in den
Kontakt 20 umgeleitet und das Relais dadurch nicht angesteuert. Bei Überschreitung des
Schwellwerts wird der bewegliche Teil 13 in Richtung des feststehenden Teils 9b
angezogen und der Kontakt 20 unterbrochen. Der durch die Anziehung des Kerns und der
daraus folgenden Flußänderung in der Wicklung 11 erzeugte Strom Is beaufschlagt das
Relais 7 und wird nun nicht mehr über den Kontakt kurzgeschlossen.
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Die Verwendung des Positionsgebers 20 ist auch bei Einsatz des Stromwandlers in
Wechselstromnetzen vorteilhaft. Der Geber erlaubt in diesem Fall eine Differenzierung
zwischen induzierten Wechselströmen und durch die Positionsänderung des beweglichen
Teils erzeugten Sekundärströmen.
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Fig. 9 zeigt eine besondere Ausgestaltung eines Stromwandlers mit einer Schwellwert-
Einstellvorrichtung. Der Magnetkreis dieses Stromwandlers ist annähernd ringförmig
ausgebildet und an die Form des Primärleiters 6 angepaßt. Der Schiebekern 13 gleitet im
Innern der Spule der Wicklung 11, und das Nebenschlußeisen 16 liegt parallel zu der
Anordnung aus Kern 13 und Wicklung 11. Bei dieser Ausgestaltung umfaßt das
Nebenschlußeisen 16 einen als Zahnstange ausgebildeten verzahnten Abschnitt 21. Das
Einstellorgan 12 wirkt auf das Nebenschlußeisen über ein in den verzahnten Abschnitt des
Nebenschlußeisens eingreifendes Zahnrad 22.
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Fig. 10 zeigt das Schaltbild eines Stromwandlers gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung. Der feststehende Teil des Magnetkreises 9 des Stromwandlers weist zur
Reduzierung des magnetischen Flusses im Magnetkreis 9 zwei Luftspalte 23a, 23b auf.
Durch diese Luftspalte kann eine Sättigung des Magnetkreises verhindert werden,
insbesondere wenn ein hoher Primärstrom Ip durch den Primärleiter 6 fließen muß. Die
Luftspalte 23a und 23b sind in Reihe zum Luftspalt 12 des beweglichen Teils 13
angeordnet. Sie werden außerdem zur Festlegung des Stromschwellwerts genutzt, bei dem
die Anziehung des beweglichen Teils erfolgen soll.
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Der bewegliche Teil ist in der Schließstellung dargestellt, d. h. der Luftspalt 12 ist sehr
schmal oder null.
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Der in Fig. 10 dargestellte Stromwandler umfaßt darüber hinaus einen in einen Luftspalt
23a des feststehenden Teils 9 des Magnetkreises eingesetzten Meßfühler 24 zur Erfassung
des magnetischen Feldes. Dieser an die Verarbeitungseinheit 4 angeschlossene Meßfühler
24 ist vorzugsweise als Meßfühler mit Hallelement oder Feldplattenwiderstand ausgebildet.
Die vom Meßfühler 24 an die Verarbeitungseinheit gelieferten Signale bilden den
magnetischen Fluß im Magnetkreis sowie den Primärstrom Ip ab.
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In Fig. 10 bilden der Stromwandler, die Verarbeitungseinheit und das Relais einen
Auslöser. Die Verarbeitungseinheit empfängt die vom Meßfühler ausgegebenen Signale und
steuert das Relais 7 an, wenn diese Signale einen festgelegten Schwellwert während einer
festgelegten Zeitdauer überschreiten. Bei dieser Funktionsweise wird die
Verarbeitungseinheit durch eine Hilfsenergiequelle gespeist. Die Auslösefunktionen der
Verarbeitungseinheit sind insbesondere der langzeitverzögerte thermische Schutz, der
kurzzeitverzögerte Schutz und der unverzögerte Schutz.
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Zur Gewährleistung der kurzzeitverzögerten bzw. unverzögerten Schutzfunktion auch ohne
Verwendung einer Hilfsenergiequelle wird die Verarbeitungseinheit an die
Sekundärwicklung 11 angeschlossen, um mit dem Sekundärstrom zur Ansteuerung des
Relais 7 beaufschlagt werden zu können. Es kann auch ein Positionsgeber 20 an die
Verarbeitungseinheit angeschlossen werden, um die Ansteuerung des Relais durch einen
Sekundärstrom Is zu verhindern, wenn der bewegliche Teil 13 nicht angezogen ist.
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Die Fig. 11 und 12 zeigen zwei Darstellungen einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Stromwandlers mit mehreren Luftspalten 23a, 23b, 23c, 23d und 23e, die über den
feststehenden Teil des Magnetkreises 9 verteilt sind. Da der feststehende Teil durch die
Luftspalte in mehrere voneinander getrennte Abschnitte unterteilt ist, weist der
Stromwandler zwei Seitenwände 25a und 25b auf, die den genannten feststehenden Teil
zusammenhalten.
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Der Luftspalt 23 dient zur Aufnahme des Meßfühlers 24. Er ist so geformt, daß das auf den
Meßfühler 24 wirkende magnetische Feld klein ist, wenn ein hoher Primärstrom durch den
Primärleiter 6 fließen muß.
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Der Luftspalt weist einen ersten Bereich großer Breite zur Aufnahme des Meßfühlers 24
sowie mindestens einen, parallel zum ersten Bereich angeordneten zweiten Bereich geringer
Breite auf, um einen Teil des im Magnetkreis erzeugten magnetischen Flusses abzuleiten.
Aufgrund der teilweisen Ableitung des magnetischen Flusses durch den zweiten Bereich
verringert sich das Magnetfeld im ersten Bereich mit dem darin enthaltenen Meßfühler 24.
Der Meßfühler kann daher für einen breiten Arbeitsbereich ein Meßsignal liefern. Des
weiteren ist das Feld im Luftspalt gleichförmig, und der Meßfühler muß nicht mit höchster
Präzision im Luftspalt positioniert werden, um ein korrektes Ansprechverhalten zu
gewährleisten.
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Die oben beschriebenen Stromwandler eignen sich gut für den Schutz von
Gleichstromnetzen, können jedoch auch zum Schutz von Wechselstromnetzen vorteilhaft
eingesetzt werden.
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Die Sekundärwicklung 11 kann eine oder mehrere auf dem feststehenden Teil, dem
beweglichen Teil oder beiden Teilen angeordnete Spulen umfassen.
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Die beweglichen Teile des Magnetkreises können eine andere als die in den Figuren
gezeigte Form aufweisen. Zum Beispiel können diese Teile auch als um eine Achse
verschwenkbare Kippanker ausgebildet sein.
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Bei den Stromwandlern gemäß Fig. 10, 11 und 12 kann die Einstellung des Schwellwerts
auch durch Veränderung mindestens eines Luftspalts im feststehenden Teil des
Magnetkreises oder durch Veränderung der Spannung der Rückstellfeder erfolgen.