CH653490A5

CH653490A5 - ELECTRONIC RELEASE DEVICE FOR CIRCUIT BREAKER.

Info

Publication number: CH653490A5
Application number: CH8271/79A
Authority: CH
Inventors: Heinrich Derheld; Horst Zielasko
Original assignee: Felten & Guilleaume Carlswerk
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-09-12
Publication date: 1985-12-31
Also published as: ATA531979A; ES484503A0; DK550279A; ES8102427A1; GB2037509A; GB2037509B; IT7925774A0; FR2445603A1; BE878401A; DE2856316B2; FR2445603B1; DK148028B; DE2856316C3; IT1123197B; AT381417B; DK148028C; DE2856316A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Auslöseeinrichtung, insbesondere für Fehlerstromschutzschalter, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an electronic tripping device, in particular for residual current circuit breakers, according to the preamble of patent claim 1.

Zweck der Auslöseeinrichtung in elektrischen Schutzschaltern ist es, in bestimmten Fällen eine Stromkreisunterbrechung herbeizuführen. Fehlerstrom-Schutzschalter sprechen bekanntlich dann an, wenn der Summenstromwandler der Fehlerstrom-Schutzschalters im Fehlerstromfall durch einen Differenzstrom erregt wird, der einen Auslöser für ein Schaltschloss betätigt, dessen Kontakte dann den betreffenden Stromkreis öffnen. Im einfachsten Fall ist der Summenstromwandler über seine Sekundärwicklung direkt mit dem Auslöser verbunden. Bei kleinen Fehlerströmen ist die vom Wandler gelieferte Engergie meistens jedoch nicht ausreichend, so dass zusätzliche Massnahmen erforderlich sind, wie z.B. Erhöhung der Empfindlichkeit bei den Auslösern. Letzten Endes sind derartige Auslöser wiederum sehr störanfällig. Um die Ansprechempfindlichkeit einer Auslöseeinrichtung zu steigern, muss man daher die erforderliche Auslöseenergie erhöhen. Dies kann einmal dadurch geschehen, dass durch Vergrösserung oder Verbesserung des magnetischen Materials für den Wandlerkern die bei kleinen Fehlerströmen an den Auslöser gelieferte Engergie vergrössert wird. Hier sind aber bereits durch die Bauform der Schalter sowie durch physikalische Parameter der Materialien die Grenzen erreicht. Andererseits gibt es auch Systeme, bei denen die geringe vom Wandler gelieferte Energie einen Verstärker bzw. ein verstärkendes Relais steuert, wodurch, jedoch abhängig von einer fremden Energiequelle (Netzspannung), der Auslöser dann mit ausreichender Energie betätigt werden kann. The purpose of the tripping device in electrical circuit breakers is to interrupt the circuit in certain cases. As is generally known, residual current circuit breakers respond when the residual current circuit breaker of the residual current circuit breaker is excited by a residual current in the event of a residual current, which actuates a trigger for a switch lock, the contacts of which then open the circuit in question. In the simplest case, the summation current transformer is directly connected to the release via its secondary winding. With small fault currents, however, the energy supplied by the converter is usually not sufficient, so that additional measures are required, such as Increased sensitivity to the triggers. In the end, such triggers are very susceptible to failure. In order to increase the response sensitivity of a release device, the required release energy must therefore be increased. This can be done by enlarging or improving the magnetic material for the converter core, which increases the energy delivered to the trigger in the event of small fault currents. Here, however, the design limits of the switches and the physical parameters of the materials have already reached the limits. On the other hand, there are also systems in which the low energy delivered by the converter controls an amplifier or an amplifying relay, whereby the trigger can then be actuated with sufficient energy, depending on an external energy source (mains voltage).

Zweckmässiger ist daher der Weg, die vom Wandler in einer bestimmten Zeit gelieferte Energie zunächst in einem Kondensator zu speichern. Eine Auslöseeinrichtung für elektrische Schutzschalter, vorzugsweise für Fehlerstrom-, Fehler-spannungs- oder Stations-Schutzschalter, die sich dieses Energiespeicherpinzips zunutze macht, ist bereits bekannt (DE-AS 10 57 683). Als spannungabhängiges Schaltorgan ist ein Kaltkathodenrelais bzw. eine Glimmlampe vorgesehen. Zwar benötigen die bisher bekannten Auslöser zum Ansprechen sehr hohe, aber nur sehr kurze Impulse. Spannungsabhängige Schaltorgane der zuvor beschriebenen Art haben für diesen Anwendungsfall jedoch einen sehr geringen Wirkungsgrad. So ist beispielsweise bei einer Glimmlampe eine Spannung von 61 Volt erforderlich, um für den Auslöser die erforderliche Spannung von 1 Volt zu erhalten. It is therefore more expedient to first store the energy delivered by the converter in a certain time in a capacitor. A tripping device for electrical circuit breakers, preferably for fault current, fault voltage or station circuit breakers, which makes use of this energy storage principle, is already known (DE-AS 10 57 683). A cold cathode relay or a glow lamp is provided as the voltage-dependent switching element. The triggers known so far require very high, but only very short pulses to respond. Voltage-dependent switching elements of the type described above, however, have a very low efficiency for this application. For example, in the case of a glow lamp, a voltage of 61 volts is required in order to obtain the required voltage of 1 volt for the trigger.

Eine Vorrichtung zum Schutz gegen die Fehlerströme elektrischer Einrichtungen, die als spannungsabhängiges Schaltorgan eine Schwellendiode verwendet, ist bereits bekannt (DE-OS 17 88 159). Da derartige Schwellendioden jedoch auch eine ähnlich hohe Steuerspannung wie die vorher beschriebenen Glimmlampen benötigen, wurde hierbei der Vorschlag gemacht, durch eine zusätzliche Wicklung des Summenstromwandlers bzw. durch Zuhilfenahme der an einer Primärwicklung des Wandlers abfallenden Netzspannung die benötigte Steuerspannung genügend gross zu halten. Allerdings muss hierbei die Sekundärspannung des Wandlers hoch sein. A device for protection against the fault currents of electrical devices, which uses a threshold diode as a voltage-dependent switching element, is already known (DE-OS 17 88 159). However, since threshold diodes of this type also require a similarly high control voltage to the glow lamps described above, the proposal was made to keep the required control voltage sufficiently high by an additional winding of the summation current transformer or by using the mains voltage dropping at a primary winding of the transformer. However, the converter's secondary voltage must be high.

Eine elektronische Auslöseeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist bereits aus der DE-OS 22 16 001 bekannt. Bei dieser Auslöseeinrichtung handelt es sich um eine Erdschlussvorrichtung des energieunabhängigen Typs mit polarisierten Auslösern, die unmittelbar von einem Kernumformer oder Toroid betätigt werden. Die Erdschlussvorrichtung besitzt eine Gleichrichterschaltung, die aus einer normalen Zweiweggleichrichtung mit zwei Dioden und einer Einweggleichrichtung mit einer Diode besteht. Die Span-nungsvervielfacher-Schaltung ist jedoch eine Schaltung, die sich auf eine einfache Spannungsverdopplung beschränkt. Hierbei wird die Spannung an einem Kondensator einfach zur Spannung an einem zweiten Kondensator addiert. Diese beiden Kondensatoren stehen in einer besonderen Wechselbeziehung und sind in hohem Masse von der Ladespannung abhängig. Hierbei ist es wichtig zu verhindern, dass der erste Kondensator auf ein Potential aufgeladen wird, das höher liegt als das, für das die Schaltung ausgelegt wurde. Beim Eintreten einer derartigen Situation könnte der aus zwei Transistoren bestehende Auslöse- oder Schaltkreis betätigt werden, bevor der zweite Kondensator das gewünschte Potential erreicht hat. Hierbei ist somit zu beachten, dass bezüglich der Dioden für das Aufladen der beiden Kondensatoren eine genaue Dimensionierung erfolgen muss. Was nun den Impulsgeber dieser Erdschlussvorrichtung betrifft, so besteht An electronic release device according to the preamble of claim 1 is already known from DE-OS 22 16 001. This tripping device is an earth fault device of the energy-independent type with polarized triggers that are actuated directly by a core converter or toroid. The ground fault device has a rectifier circuit, which consists of a normal two-way rectification with two diodes and a one-way rectification with one diode. However, the voltage multiplier circuit is a circuit that is limited to simple voltage doubling. The voltage on one capacitor is simply added to the voltage on a second capacitor. These two capacitors have a special correlation and depend to a large extent on the charging voltage. It is important to prevent the first capacitor from being charged to a potential higher than that for which the circuit was designed. If such a situation occurs, the tripping or switching circuit consisting of two transistors could be actuated before the second capacitor has reached the desired potential. It should be noted here that the diodes for charging the two capacitors must be dimensioned precisely. As for the pulse generator of this earth fault device, there is

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

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3 3rd

653 490 653 490

dieser aus einem zweistufigen Schalter, wozu zwei Transistoren zu einer Kippschaltung verwendet werden. Ferner arbeitet die Schaltung der Erdschlussvorrichtung mit einem Wandler, dessen Wicklung im Sekundärkreis mit einer Mittenanzapfung versehen ist, die unmittelbar mit dem zweiten Kondensator und der Auslösespule verbunden ist. - Das wesentliche der Schaltung der Erdschlussvorrichtung ist die Erzeugung von zwei verschiedenen Spannungen, die zur Ladung der beiden Kondensatoren dienen und die Abhängigkeit von Dioden, die für das Aufladen der Kondensatoren verantwortlich sind, wobei die Einschränkungen zu beachten sind, auf die bereits hingewiesen wurde. Der Schalter wiederum ist eine spannungabhängig schaltende Vorrichtung, die aus zwei Bauteilen besteht. this consists of a two-stage switch, for which two transistors are used for a flip-flop. Furthermore, the circuit of the earth fault device works with a converter, the winding of which is provided in the secondary circuit with a center tap which is connected directly to the second capacitor and the tripping coil. - The essence of the circuit of the earth fault device is the generation of two different voltages which serve to charge the two capacitors and the dependence on diodes which are responsible for the charging of the capacitors, taking into account the restrictions which have already been pointed out. The switch in turn is a voltage-dependent switching device that consists of two components.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Auslöseeinrichtung der eingangs geschilderten Art mit dem Ziel weiterzuentwickeln, die in einem Kondensator gespeicherte Engergie in einen kurzen, aber starken Auslöseimpuls umzuwandeln, und schlagartig auf die Spulenwicklung des Auslösers zu übertragen, dessen mechanischer Aufbau auf diesen Auslöseimpuls abgestimmt ist. Hierbei soll der hierfür vorgesehene Schalter bereits bei sehr kleiner Sekundärspannung des Wandlers schaltfähig werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen schaltungstechnischen und konstruktiven Massnahmen gelöst. The invention is therefore based on the object of further developing a triggering device of the type described with the aim of converting the energy stored in a capacitor into a short but powerful triggering pulse, and suddenly transferring it to the coil winding of the trigger, the mechanical structure of which is based on this triggering pulse is coordinated. In this case, the switch provided for this purpose should become switchable even with a very low secondary voltage of the converter. According to the invention, this object is achieved by the circuitry and design measures specified in the characterizing part of patent claim 1.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, dass die elektronische Auslöseeinrichtung aus nur wenigen Bauteilen und Schaltungselementen besteht, die in einer besonders gedrängten Bauweise raumsparend angeordnet werden können. Die Arbeitsweise des Schalters bei sehr kleiner Sekundärspannung des Wandlers bedeutet einen sehr guten Wirkungsgrad und macht ihn triggerbar, um eine sichere Ansprechschwelle zu erreichen. The advantages achieved by the invention consist in the fact that the electronic release device consists of only a few components and circuit elements, which can be arranged in a particularly compact design in a space-saving manner. The mode of operation of the switch with a very low secondary voltage of the converter means very good efficiency and makes it triggerable in order to achieve a safe response threshold.

Wegen des guten Wirkungsgrades dieser Anordnung kann die vom Wandler gelieferte Energie sehr viel kleiner sein als bei den vorerwähnten Einrichtungen, was bedeutet, dass die Schaltervolumina verkleinert oder der zum Ansprechen führende Fehlerstrom verringert werden kann, was beides einer verbesserten Anwendungsweise und gesteigerter Schutzwirkung gegen elektrische Unfälle zugute kommt. Ausserdem ist eine Hilfsenergiequelle zum Betrieb nicht erforderlich. Because of the good efficiency of this arrangement, the energy supplied by the converter can be much smaller than that of the aforementioned devices, which means that the switch volumes can be reduced or the fault current leading to response can be reduced, both of which improve the application and the increased protection against electrical accidents benefits. In addition, an auxiliary power source is not required for operation.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Anspruchs 1 sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Advantageous embodiments of the subject matter of claim 1 can be found in the dependent claims.

Auch ist es zweckmässig, in dem Leitungszug des Spannungsteilers eine Diode zur Temperaturkompensation vorzusehen. Die Ansprüche 3 und 4 geben die vorteilhafte Zuordnung der einzelnen Bauelemente auf einer Platine wieder, die mit dem Auslöser in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist. It is also expedient to provide a diode for temperature compensation in the wiring of the voltage divider. Claims 3 and 4 reflect the advantageous assignment of the individual components on a circuit board which is accommodated with the trigger in a common housing.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below.

5 Es zeigen: 5 It shows:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung einer elektronischen Auslöseeinrichtung Fig. 1 shows the circuit arrangement of an electronic release device

Fig. 2 einen Auslöser der Auslöseeinrichtung mit integrierter Schaltungseinheit, in Vorderansicht io Fig. 3 in Draufsicht. Fig. 2 shows a trigger of the trigger device with integrated circuit unit, in front view io Fig. 3 in plan view.

Nach Fig. 1 ist ein einphasiges Netz mit seinem Phasenleiter R und dem Nulleiter N an Primärwicklungen 1 und 2 eines Summenstromwandlers angeschlossen. Eine Sekundärwicklung 3 stellt eine Verbindung zu einer Schaltungskombi-i5 nation dar, die aus Gleichrichtern 4, 5, 6 und 7 sowie aus Kondensatoren 8, 9 und 10 besteht. Im Fehlerstromfall entsteht in der Sekundärwicklung 3 eine Wechselspannung, die in der Schaltungskombination gleichgerichtet und erhöht wird. Die entstehende Gleichspannung wird über eine Plus-20 leitung 26 und eine Minusleitung 27 einem Kondensator 11 zugeführt und die entsprechende Engergie wird innerhalb einer bestimmten Zeit in dem Kondensator 11 gespeichert. Ein Impulshalbleiter 12, der als progrmmierbarer Uni-junction-Transistor eingesetzt ist, hat die Aufgabe, in Verbin-25 dung mit einem aus den Widerständen 13 und 14 gebildeten Spannungsteiler den erforderlichen Triggerimpuls zu erzeugen. Hierbei kann eine Diode 15 zur Temperaturkompensie-rung in den Leitungszug des Spannungsteilers eingeschaltet werden. Die Kathode des Impulshalbleiters ist mit der Steuer-30 elektrode eines steuerbaren Halbleiters 16 verbunden. Als steuerbarer Halbleiter kann z.B. ein Thyristor eingesetzt werden. Sobald der steuerbare Halbleiter durchgeschaltet ist, 1, a single-phase network with its phase conductor R and the neutral conductor N is connected to primary windings 1 and 2 of a summation current transformer. A secondary winding 3 represents a connection to a circuit combination i5 nation, which consists of rectifiers 4, 5, 6 and 7 and capacitors 8, 9 and 10. In the event of a fault current, an alternating voltage arises in the secondary winding 3, which is rectified and increased in the circuit combination. The resulting DC voltage is fed to a capacitor 11 via a plus 20 line 26 and a minus line 27, and the corresponding energy is stored in the capacitor 11 within a certain time. A pulse semiconductor 12, which is used as a programmable uni-junction transistor, has the task of generating the required trigger pulse in conjunction with a voltage divider formed from resistors 13 and 14. In this case, a diode 15 for temperature compensation can be switched on in the line of the voltage divider. The cathode of the pulse semiconductor is connected to the control electrode of a controllable semiconductor 16. As a controllable semiconductor, e.g. a thyristor can be used. As soon as the controllable semiconductor is switched through,

■wird die im Kondensator 11 gespeicherte Energie schlagartig als starker Auslöseimpuls auf die Spulenwicklung des Auslö-35 sers 17 übertragen, wodurch der Auslöser anspricht. Das Ansprechen des Auslösers bewirkt über ein Schaltschloss und weitere Schaltmittel die Abschaltung der gefährdeten Anlage vom Netz. ■ The energy stored in the capacitor 11 is suddenly transmitted as a strong trigger pulse to the coil winding of the trigger 17, whereby the trigger responds. When the trigger is activated, the endangered system is switched off from the mains via a key switch and other switching means.

Die komplette elektronische Auslöseeinrichtung setzt sich 40 nach den Fig. 2 und 3 im wesentlichen aus einem Magnetkreis, bestehend aus einem Joch 18 mit den Schenkeln 19 und 20 und einem Anker 21, aus einer um den Schenkel 19 angeordneten Spulenwicklung 22, aus einem Permanentmagneten 23 am wicklungsfreien Teil des Jochs 18 und aus einer Platine 45 24, auf der die Bauelemente des elektronischen Schalters angeordnet sind, zusammen. Die gesamte elektronische Auslöseeinrichtung wird in einem gemeinsamen Gehäuse 25 gekapselt. 2 and 3, the complete electronic release device 40 essentially consists of a magnetic circuit consisting of a yoke 18 with the legs 19 and 20 and an armature 21, a coil winding 22 arranged around the leg 19 and a permanent magnet 23 on the winding-free part of the yoke 18 and from a circuit board 45 24 on which the components of the electronic switch are arranged. The entire electronic release device is encapsulated in a common housing 25.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

653 490

1.Electronic tripping device for circuit breakers, in particular for residual current circuit breakers, which circuit breaker is provided with a current transformer which detects a disturbance variable, the secondary winding (3) of which feeds a rectifier and voltage multiplier circuit of the electronic tripping device, which circuit with a charging capacitor (11) connected downstream and is connected to a pulse generator (12) which can be controlled via a voltage divider and which, after sufficient charging of the charging capacitor, controls a voltage-dependent switching element (16) in series with the coil winding of a trigger (17) of the circuit breaker for the purpose of discharging the charging capacitor via the coil winding, characterized in that that the rectifier and voltage multiplier circuit is a series circuit of at least three diodes (4, 5, 6) to the positive line (26) of the device (4 -16) one after the other in the forward direction and a diode (7) between the anode d he first diode (4) of the series circuit and the negative line (27) of the device in the blocking direction comprises a capacitor (8) being arranged in parallel with the first two diodes (4, 5) of the series circuit,

that the connection point of the two first diodes (4, 5) and the negative line (27) are connected to one another via the series connection of a second (9) and a third (10) capacitor, that the third capacitor (10) between the terminals of the reverse direction connected diode (7) and the second capacitor (9) is connected that the cathode of the third diode (6) and the connection point of the anode of the diode (7) with the third capacitor (10)

are each connected to the terminals of the charging capacitor (11) and that the voltage divider (13, 14) is arranged parallel to the charging capacitor (11), the center of which is connected to the control electrode of a unijunction transistor (12) used as a pulse generator, the anode of which is connected to said positive line and its cathode to the control electrode of the voltage-dependent switching element designed as a controllable semiconductor (16).

2. Tripping device according to claim 1, characterized in that a diode (15) is connected in the forward direction between said positive line and one of the resistors (13) of the voltage divider (13, 14).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Tripping device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the components of the rectifier and voltage multiplier circuit with the components of the pulse generator are arranged on a common circuit board (24).

4. Tripping device according to claim 3, characterized in that the circuit board (24) and the trigger (17) are housed in a common housing (25).