DE102019213154B4 - circuit breaker - Google Patents
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Abstract
Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrischen Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten,mit einem Energiewandler (CT), dessen Primärseite (PS) einen Leiterabschnitt des Niederspannungsstromkreises aufweist und sekundärseitig eine Energieversorgung für mindestens eine Steuereinheit (ETU) des Leistungsschalters zur Verfügung stellt,wobei zwischen sekundärseitigem Ausgang des Energiewandlers (CT) und Steuereinheit (ETU) des Leistungsschalters eine Drossel (L) geschaltet ist,dadurch gekennzeichnet,dass der Energiewandler (CT) und die Drossel (L) in einem Gehäuse (GEH) angeordnet sind,wobei die Drossel (L) zumindest teilweise mit einem Blech (BL) aus weichmagnetischem Material umgeben ist.Circuit breaker for interrupting an electrical low-voltage circuit when current and/or current-time limit values are exceeded, with an energy converter (CT), the primary side (PS) of which has a conductor section of the low-voltage circuit and, on the secondary side, a power supply for at least one control unit (ETU) of the circuit breaker makes available,wherein a choke (L) is connected between the secondary-side output of the energy converter (CT) and the control unit (ETU) of the circuit breaker, characterized in that the energy converter (CT) and the choke (L) are arranged in a housing (GEH). are, wherein the choke (L) is at least partially surrounded by a metal sheet (BL) made of soft magnetic material.
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrischen Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung von Strom- oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, mit einem Energiewandler, dessen Primärseite einen Leiterabschnitt des Niederspannungsstromkreises aufweist und sekundärseitig eine Energieversorgung für mindestens eine Steuereinheit des Leistungsschalters zur Verfügung stellt, wobei zwischen sekundärseitigem Ausgang des Energiewandlers und Steuereinheit des Leistungsschalters eine Drossel geschaltet ist.The invention relates to a circuit breaker for interrupting an electrical low-voltage circuit when current and/or current-time limit values are exceeded, with an energy converter, the primary side of which has a conductor section of the low-voltage circuit and the secondary side provides an energy supply for at least one control unit of the circuit breaker, wherein a choke is connected between the secondary-side output of the energy converter and the control unit of the circuit breaker.
Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.Circuit breakers are protective devices that work in a similar way to a fuse. Circuit breakers monitor the current flowing through them by means of a conductor and interrupt the flow of electricity or energy to an energy sink or load, which is referred to as a trip, when protection parameters such as current limits or current time limit values, i.e. when a current value for a certain period of time present, are exceeded. The interruption occurs, for example, through contacts of the circuit breaker that are opened.
Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.In particular for low-voltage circuits or networks, there are different types of circuit breakers depending on the magnitude of the electrical current provided in the electrical circuit. Circuit breakers in the context of the invention mean in particular switches such as are used in low-voltage systems for currents of 63 to 6300 amperes. More specifically, closed circuit breakers are used for currents from 63 to 1600 amperes, in particular from 125 to 630 or 1200 amperes. Air circuit breakers are used in particular for currents from 630 to 6300 amperes, more specifically from 1200 to 6300 amperes.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.Open circuit breakers are also referred to as air circuit breakers, ACB for short, and closed circuit breakers as molded case circuit breakers, or compact circuit breakers, MCCB for short.
Mit Niederspannung sind Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind ferner Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung mit Werten von 50 Volt Wechselspannung oder 120 Volt Gleichspannung sind.Low voltage means voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC. Low voltage also means voltages that are greater than extra-low voltage with values of 50 volts AC or 120 volts DC.
Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer Steuereinheit, wie einer elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint. Die Steuereinheit überwacht die Höhe des durch Sensoren, wie Rogowskispulen, gemessenen elektrischen Stromes bzw. zusätzlich in analoger Weise der Spannung oder/und anderer Parameter des elektrischen Stromkreises und bewirkt eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, wenn Schwellwerte überschritten werden. Für den Betrieb der Steuereinheit wird elektrische Energie benötigt, die durch einen Energiewandler, beispielsweise einem Transformator, zur Verfügung gestellt wird. Dieser ist primärseitig mit dem zu schützenden elektrischen Stromkreis und sekundärseitig mit der Steuereinheit verbunden.Circuit breakers in the context of the invention mean in particular circuit breakers with a control unit, such as an electronic tripping unit, also referred to as an electronic trip unit, ETU for short. The control unit monitors the magnitude of the electrical current measured by sensors such as Rogowski coils or, in an analogous manner, the voltage and/or other parameters of the electrical circuit and causes the electrical circuit to be interrupted if threshold values are exceeded. Electrical energy, which is provided by an energy converter, for example a transformer, is required to operate the control unit. This is connected to the electrical circuit to be protected on the primary side and to the control unit on the secondary side.
Bei zu „hohem“ Stromfluss unterbrechen Leistungsschalter den Stromkreis gemäß ihrer Schutzparameter bzw. Ansprechwerte. Die Schutzparameter bzw. Ansprechwerte sind im Wesentlichen die Höhe des Stromes oder/und die Höhe des Stromes und der Zeit, nach der ein Unterbrechen des Stromkreises bei andauernd „hohem“ Stromfluss erfolgen soll. Im Unterschied zu einer Sicherung sind diese Schutzparameter bzw. Ansprechwerte bei einem Leistungsschalter einstellbar, beispielsweise mittels der Steuereinheit, wie einer elektronischen Auslöseeinheit.If the current flow is too "high", circuit breakers interrupt the circuit according to their protection parameters or response values. The protection parameters or response values are essentially the magnitude of the current and/or the magnitude of the current and the time after which the circuit should be interrupted if the current flow is constantly “high”. In contrast to a fuse, these protection parameters or response values can be set in a circuit breaker, for example by means of the control unit, such as an electronic tripping unit.
Die Energiewandler dienen zur so genannten Eigenenergieversorgung von Leistungsschaltern. Sie basieren auf dem Prinzip der magnetisch gekoppelten Leistungsübertragung, wodurch Energie für die Steuereinheit, wie eine elektronische Auslöseeinheit zur Verfügung gestellt wird.The energy converters are used for the so-called internal energy supply of circuit breakers. They are based on the principle of magnetically coupled power transmission, which provides energy for the control unit, such as an electronic trip unit.
Häufig bildet hierbei ein Leiterabschnitt respektive Leiter des elektrischen Stromkreises die Primärseite respektive Primärspule des Energiewandlers, was auch als Primärleiterabschnitt bzw. Primärleiter bezeichnet wird. Als Leiterabschnitt wird in der Regel der Phasenleiter des Stromkreises verwendet, beispielsweise in einem Einphasenstromkreis mit Phasen- und Neutralleiter bzw. in einem Dreiphasenwechselstromkreis mit drei Phasenleitern und ggfs. Neutralleiter. D.h. ein Leiterabschnitt (respektive Leiter) ist die Primärspule des Energiewandlers.In this case, a conductor section or conductor of the electrical circuit often forms the primary side or primary coil of the energy converter, which is also referred to as the primary conductor section or primary conductor. As a rule, the phase conductor of the circuit is used as the conductor section, for example in a single-phase circuit with phase and neutral conductor or in a three-phase AC circuit with three phase conductors and, if necessary, neutral conductor. I.e. a conductor section (or conductor) is the primary coil of the energy converter.
Leistungsschalter der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den nachfolgenden Patentanmeldungen bekannt:
Problematisch bei diesen Wandlern sind hohe Primärströme, die einen entsprechend hohen Sekundärstrom (Transformatorprinzip) hervorrufen. Solche hohen Primärströme können insbesondere bei hohen Lastströmen bzw. Kurzschlussströmen auftreten. In der Folge wird die Scheinleistung des Stromwandlers überschritten. Der Energiewandler kommt dadurch in den Zustand der magnetischen Sättigung.A problem with these converters are high primary currents, which cause a correspondingly high secondary current (transformer principle). Such high primary currents can occur in particular with high load currents or short-circuit currents. As a result, the apparent power of the current transformer is exceeded. This puts the energy converter in the state of magnetic saturation.
Die Scheinleistung eines Stromwandlers steigt linear mit der Primärstromamplitude und der Netzfrequenz an. Daraus resultiert ein minimaler Primärstrom, der notwendig ist, um die sekundärseitige Leistungsanforderung der Steuereinheit bzw. ETU zu erfüllen. Dieser minimale Primärstrom wird durch die Anforderungen der Anwendung festgelegt und daraus resultiert die magnetische Dimensionierung des ferromagnetischen Kerns im Energiewandler bzw. Stromwandler (insb. die Materialauswahl sowie magnetische Kernlänge und Querschnitt). Im Wesentlichen ergibt sich ein minimaler magnetischer Querschnitt A für einen magnetischen Arbeitspunkt B, der sich aus einer notwendigen Sekundärspannung U bei der Netzfrequenz f ableitet. Dies wird durch die bekannte Transformatorgleichung beschrieben:
Der Sekundärstrom I2 ergibt sich durch die Sekundärwindungszahl N2 / das Windungsverhältnis N2 zum Primärstrom I1, wobei der zur Erzeugung des magnetischen Flusses notwendige Magnetisierungsstrom Iu vom Primärstrom abzuziehen ist.
Das Produkt beider Sekundärgrößen definiert die Scheinleistung des Stromwandlers. Ist diese Scheinleistung kleiner als die sekundär angeordnete Leistungsaufnahme, so gerät der magnetische Kern in die Sättigung, da die magnetische Flussdichte durch das Kernmaterial beschränkt ist.The product of both secondary variables defines the apparent power of the current transformer. If this apparent power is less than the secondary power consumption, the magnetic core becomes saturated because the magnetic flux density is limited by the core material.
Oberhalb des minimalen Primärstroms steigt die Scheinleistung durch die Primärstromamplitude getrieben an. Die Leistungsaufnahme der Elektronik bleibt aber für alle Betriebsbedingungen weitgehend konstant und so ergibt sich die o.g. Fehlanpassung zwischen Quelle (Energiewandler bzw. Stromwandler) und Senke (Steuereinheit bzw. ETU). Die überschüssige Leistung wird im Eingangsspannungsregler und/oder in der Sekundärwicklung in Wärme umgewandelt. Diese Wärme muss abgeführt werden oder es entsteht eine kritische Eigenerwärmung in der Steuereinheit und/oder im Energiewandler.Above the minimum primary current, the apparent power increases, driven by the primary current amplitude. However, the power consumption of the electronics remains largely constant for all operating conditions and this results in the above-mentioned mismatch between the source (energy converter or current converter) and sink (control unit or ETU). The excess power is converted into heat in the input voltage regulator and/or in the secondary winding. This heat must be dissipated or critical self-heating occurs in the control unit and/or in the energy converter.
Um diesen Effekt zu vermeiden, wird neuerdings eine Drossel zwischen Energiewandler und Steuereinheit des Leistungsschalters geschaltet.In order to avoid this effect, a choke has recently been connected between the energy converter and the control unit of the circuit breaker.
Die Scheinleistung des Energiewandlers bzw. Transformators wird durch den Primärstrom bestimmt. Der Energiewandler bzw. Transformator arbeitet ohne feste Phasenbeziehung zwischen Strom und Spannung auf der Sekundärseite. Daher ist es auch nicht zwingend erforderlich eine Wirkleistung zu entnehmen. Fügt man zusätzlich einen Blindwiderstand in Serie ein, so kann die Scheinleistung des Transformators durch die Blindleistung an dieser Impedanz kompensiert werden. Zu diesem Zweck wird eine Drossel zwischen Energiewandler und Steuereinheit (ETU) eingefügt.The apparent power of the energy converter or transformer is determined by the primary current. The energy converter or transformer works without a fixed phase relationship between current and voltage on the secondary side. It is therefore not absolutely necessary to draw active power. If you also add a reactance in series, the apparent power of the transformer can be compensated by the reactive power at this impedance. For this purpose, a choke is inserted between the energy converter and the control unit (ETU).
Die strombegrenzende Wirkung der Drossel im Energiewandler-Design ist eine Folge des induktiven Blindwiderstands der Drossel. Die Induktivität dieser Drossel hängt maßgeblich von der Permeabilität des weichmagnetischen Kerns ab. Eine magnetische Sättigung im Kern der Drossel muss unter den üblichen Betriebsbedingungen vermieden werden, da in dessen Folge die Induktivität sehr klein werden würde.The current-limiting effect of the choke in the energy converter design is a consequence of the inductive reactance of the choke. The inductance of this choke depends largely on the permeability of the soft magnetic core. Magnetic saturation in the core of the choke must be avoided under normal operating conditions, as this would result in very low inductance.
Befindet sich die Drossel im Nahbereich eines Primärleiters, wird die Drossel durch das magnetische Feld des Primärleiters beeinflusst. Das primäre Magnetfeld verursacht eine Vormagnetisierung im Drosselkern, die den Betriebsbereich der Drossel einschränkt.If the choke is in the vicinity of a primary conductor, the choke is influenced by the magnetic field of the primary conductor. The primary magnetic field causes a bias in the reactor core, which limits the operating range of the reactor.
Eine Möglichkeit besteht deshalb darin, die Drossel in größerer räumlicher Entfernung zum Primärleiter anzuordnen. Dadurch ergibt sich allerdings ein erhöhter Platzbedarf, zumal in der Regel pro Leiter des Niederspannungsstromkreises, zumindest für die Phasenleiter, ein Energiewandler vorgesehen ist. Ferner ein deutlich erhöhter Aufwand in der Kabelführung zwischen Energiewandler und Drossel bzw. Steuereinheit, da die Isolationsfestigkeit dieser Kabelstrecke signifikant erhöht werden muss, da zwischen Energiewandler (Stromwandler) und Drossel sehr hohe Spannungsspitzen auftreten können.One possibility is therefore to arrange the choke at a greater spatial distance from the primary conductor. However, this results in an increased space requirement, especially since one energy converter is generally provided per conductor of the low-voltage circuit, at least for the phase conductors. Furthermore, there is a significantly higher cost of routing the cables between the energy converter and the choke or control unit, since the insulation resistance of this cable route has to be significantly increased, since very high voltage peaks can occur between the energy converter (current converter) and the choke.
Die deutsche Offenlegungsschrift
Die deutschen Offenlegungsschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungsschalter der eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere die Wirkung der Drossel zu erhalten, speziell wenn diese im Nahbereich eines Primärleiters angeordnet sein soll.The object of the present invention is to improve a circuit breaker of the type mentioned at the outset, in particular to maintain the effect of the choke, especially if it is to be arranged in the vicinity of a primary conductor.
Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder einen Energie- und Meßwandler für einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst.This object is achieved by a circuit breaker having the features of
Um den Einfluss des magnetischen Felds zu minimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Drossel zumindest teilweise mit einem Blech aus weichmagnetischem Material umgeben ist. Mit weichmagnetischem Material sind insbesondere Material mit einer Koerzitivfeldstärke zwischen 1 und 1000 A/m gemeint.In order to minimize the influence of the magnetic field, it is provided according to the invention that the choke is at least partially surrounded by a metal sheet made of soft-magnetic material. Soft-magnetic material means, in particular, material with a coercive field strength between 1 and 1000 A/m.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous configurations are specified in the dependent claims.
Um den Einfluss des magnetischen Felds zu minimieren ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Drossel durch ein Schild aus weichmagnetischem Blech geschützt.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die magnetischen Feldlinien des Primärleiters in diesem Schild gesammelt und um die Drossel herumgeführt werden, zudem einer einfachen Ausgestaltung.In order to minimize the influence of the magnetic field, in an advantageous embodiment the choke is protected by a shield made of soft-magnetic sheet metal.
This has the particular advantage that the magnetic field lines of the primary conductor are collected in this shield and guided around the choke, in addition to a simple design.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel in einem Blechgehäuse aus weichmagnetischem Material gekapselt, d.h. vollständig umgeben.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine maximale Abschirmung gegeben ist. In dieser Ausgestaltung ist der Innenraum des Blechgehäuses praktisch frei von äußeren Magnetfeldern und eine Vormagnetisierung wird unterdrückt. Allerdings ist diese Ausgestaltung fertigungstechnisch aufwendig.In an advantageous embodiment of the invention, the choke is encapsulated in a sheet metal housing made of soft magnetic material, ie completely surrounded.
This has the particular advantage of providing maximum shielding. In this configuration, the interior of the sheet metal housing is practically free from external magnetic fields and pre-magnetization is suppressed. However, this configuration is complex in terms of manufacturing technology.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel in einem Rohrabschnitt bzw. Rohrprofil, mit z.B. rechteckigen oder runden Querschnitt, aus weichmagnetischem Material, wie weichmagnetischem Stahl, umgeben bzw. umschlossen. In dieser Ausgestaltung dringt nur an den beiden offenen Enden des Rohrs ein magnetisches Restfeld in den Innenraum. Die Feldstärke nimmt mit der Eindringtiefe in das Rohr stark ab.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine fertigungstechnisch praktikablere Ausgestaltung gegeben ist.In an advantageous embodiment of the invention, the throttle is surrounded or enclosed in a tube section or tube profile, for example with a rectangular or round cross-section, made of soft-magnetic material, such as soft-magnetic steel. In this embodiment, a residual magnetic field penetrates into the interior only at the two open ends of the tube. The field strength decreases with the penetration depth in the pipe.
This has the particular advantage that a design that is more practicable in terms of manufacturing technology is provided.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die dem Primärleiter abgewandte Blechwand des Rohrprofiles entfallen. D.h. das Blech aus weichmagnetischem Material ist u-förmig gestaltet. Insbesondere, dass die Basis des U-Bleches parallel bzw. annähernd parallel zum Primärleiterabschnitt angeordnet ist, d.h. die offene Seite des U-Bleches ist dem Primärleiter abgewandt.
Dies hat ein stärkeres Eindringen des magnetischen Felds von der offenen Seite her in den Raum zur Drossel hin zur Folge. Allerdings ist die Restfeldstärke im Innenraum durch den größeren Abstand der offenen Seite zum Primärleiter reduziert. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine fertigungstechnisch noch praktikablere Ausgestaltung gegeben ist, da die Drossel nicht in einem Rohr eingeführt, sondern nur umgeben werden muss und zudem sehr platzsparend ist. Mit dieser Anordnung lässt sich die magnetische Feldstärke im Innenraum des magnetischen U-Bleches um 50% reduzieren.In an advantageous embodiment of the invention, the sheet metal wall of the tubular profile facing away from the primary conductor can be omitted. That is, the sheet of soft magnetic material is designed in a U-shape. In particular, that the base of the U-plate is arranged parallel or approximately parallel to the primary conductor section, ie the open side of the U-plate faces away from the primary conductor.
This results in a stronger penetration of the magnetic field from the open side into the space towards the choke. However, the residual field strength in the interior is reduced due to the greater distance between the open side and the primary conductor. This has the particular advantage that there is an even more practicable design in terms of production technology, since the throttle does not have to be introduced into a tube but only has to be surrounded and is also very space-saving. With this arrangement, the magnetic field strength in the interior of the magnetic U-plate can be reduced by 50%.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel insbesondere liegend zum Leiterabschnitt (respektive Primärleiter) angeordnet.
Mit liegender Anordnung ist insbesondere eine Anordnung gemeint, bei der die vom Drosselkern umschlossene Fläche, insbesondere die Fläche größter Ausdehnung des Drosselkerns, parallel zum Leiterabschnitt (Primärleiter bzw. stromführender Leiterbahn) angeordnet ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass das den Leiterabschnitt (Primärleiter) umschließende magnetische Feld homogen auf den Drosselkern wirkt und so der parasitäre Einfluss des Primärleiterfelds auf die Drossel minimiert wird.In an advantageous embodiment of the invention, the choke is arranged in particular lying to the conductor section (or primary conductor).
A horizontal arrangement means, in particular, an arrangement in which the area enclosed by the inductor core, in particular the area of greatest extent of the inductor core, is arranged parallel to the conductor section (primary conductor or current-carrying conductor track).
This has the particular advantage that the magnetic field enclosing the conductor section (primary conductor) acts homogeneously on the inductor core and the parasitic influence of the primary conductor field on the inductor is thus minimized.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Drossel einen magnetischen Pulverkern, insbesondere in geschlossener Form, auf.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Permeabilität des Drosselkerns durch den im Kernmaterial verteilten Luftspalt reduziert ist und so die magnetische Sättigung des Kerns zu hohen Sekundärströmen verschoben wird.In an advantageous embodiment of the invention, the choke has a magnetic powder core, in particular in a closed form.
This has the particular advantage that the permeability of the inductor core is reduced by the air gap distributed in the core material, so that the magnetic saturation of the core is shifted towards high secondary currents.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Drossel einen Sendust-Pulverkern auf. Sendust ist ein weichmagnetisches Metallpulver für Magnetkerne. Die Sendust-Legierung besteht insbesondere typischerweise aus 85 % Eisen, 9 % Silicium und 6 % Aluminium. Das Pulver wird zu Magnetkernen für Spulen gesintert.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass mit Sendust-Kernen eine hohe magnetische Permeabilität, geringe magnetische Verluste und eine gute Temperaturstabilität des Drosselverhaltens erzielbar ist.In an advantageous embodiment of the invention, the choke has a Sendust powder core on. Sendust is a soft magnetic metal powder for magnetic cores. In particular, the Sendust alloy typically consists of 85% iron, 9% silicon and 6% aluminum. The powder is sintered into magnetic cores for coils.
This has the particular advantage that high magnetic permeability, low magnetic losses and good temperature stability of the choke behavior can be achieved with Sendust cores.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Pulverkern ein Ringkern; U- oder E-förmiger Halbkern in zweifacher Ausführung oder mit einem abschließenden I-förmigen Verbindungskern.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Bauform anhand des vorhandenen Bauraums im Gerät optimal ausgewählt werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the powder core is a toroidal core; U-shaped or E-shaped half-core in double execution or with a final I-shaped connection core.
This has the particular advantage that the design can be optimally selected based on the available installation space in the device.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leiterabschnitt (Primärleiterabschnitt) von einem Trafokern umgeben, der wiederum mit einer Sekundärwicklung bewickelt ist.
Der Trafokern kann aus einem weichmagnetischen Material bestehen. Der Trafokern kann insbesondere als gewickelter nanokristalliner Kern ausgeführt sein.
Der Trafokern kann annähernd rechteckförmig sein, häufig sind die Ecken abgerundet. Die Sekundärwicklung kann auf einer langen Seite des Rechteckes angeordnet sein. Die Drossel ist annähernd parallel zum Leiterabschnitt bzw. zur Sekundärwicklung angeordnet. Vorteilhafterweise kann die Drossel auf der Seite der Sekundärwicklung angeordnet sein.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass kurze Leitungswege und ein vorteilhaftes Design mit optimalen Eigenschaften gegeben sind. Insbesondere durch nanokristallines Material lassen sich geringe magnetischen Kernverluste bei höheren Frequenzen erzielen.In an advantageous embodiment of the invention, the conductor section (primary conductor section) is surrounded by a transformer core, which in turn is wound with a secondary winding.
The transformer core can consist of a soft magnetic material. The transformer core can in particular be designed as a wound nanocrystalline core.
The transformer core can be approximately rectangular, the corners are often rounded. The secondary winding can be arranged on one long side of the rectangle. The choke is arranged approximately parallel to the conductor section or to the secondary winding. Advantageously, the choke can be arranged on the side of the secondary winding.
This has the particular advantage of short cable paths and an advantageous design with optimum properties. In particular, low magnetic core losses can be achieved at higher frequencies using nanocrystalline material.
Ein nanokristalliner Kern weist insbesondere eine Remanenzflussdichte auf, die kleiner als 30%, insbesondere kleiner als 20%, der Sättigungsflussdichte ist. Die Koerzitivfeldstärke soll kleiner als 10 A/m, insbesondere kleiner als 5 A/m, sein. Das nanokristalliner Kern kann insbesondere die Elemente Fe, Si, B, Nb oder/und Cu aufweisen.A nanocrystalline core has in particular a residual flux density which is less than 30%, in particular less than 20%, of the saturation flux density. The coercive field strength should be less than 10 A/m, in particular less than 5 A/m. The nanocrystalline core can in particular have the elements Fe, Si, B, Nb and/or Cu.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leiterabschnitt (Primärleiterabschnitt) von einer Rogowski-Spule umgeben, die im Gehäuse angeordnet ist.
Der Energiewandler, insbesondere dessen Trafokern, und die Rogowski-Spule können übereinanderliegend im Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise mit einer Führung.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein kompakter kombinierter Energie- und Meßwandler für einen Leistungsschalter ermöglicht wird.In an advantageous embodiment of the invention, the conductor section (primary conductor section) is surrounded by a Rogowski coil, which is arranged in the housing.
The energy converter, in particular its transformer core, and the Rogowski coil can be arranged one above the other in the housing. For example with a tour.
This has the particular advantage that a compact combined energy and measurement converter is made possible for a circuit breaker.
Erfindungsgemäß wird ferner ein kombinierter Energie- und Meßwandler für einen Leistungsschalter vorgeschlagen.
Er weist ein Gehäuse auf, das auf einem Leiterabschnitt aufschiebbar ist. Das Gehäuse kann aus Kunststoff sein. Der Leiterabschnitt bildet die Primärseite des Energiewandlers. Im Gehäuse umgibt der Trafokern den Leiterabschnitt.
Der Trafokern weist die Sekundärwicklung auf. Diese kann auf einer Längsseite eines (annähernd) rechteckigen Trafokerns angeordnet sein. Die Sekundärwicklung ist in Serie mit der Drossel geschaltet, die in der Nähe der Sekundärwicklung im Gehäuse angeordnet ist, um kurze Leitungswege zu ermöglichen. Die Drossel ist durch ein weichmagnetisches Blech Energiewandler abgeschirmt. Parallel zum Trafokern, beispielsweise aus nanokristallinem Material, ist die Rogowskispule im Gehäuse angeordnet. Es können weitere vorgenannte vorteilhafte Ausgestaltungen integriert sein.According to the invention, a combined energy and measurement converter for a circuit breaker is also proposed.
It has a housing that can be slid onto a conductor section. The housing can be made of plastic. The conductor section forms the primary side of the energy converter. In the housing, the transformer core surrounds the conductor section.
The transformer core has the secondary winding. This can be arranged on one long side of an (approximately) rectangular transformer core. The secondary winding is connected in series with the choke, which is located near the secondary winding in the housing to allow for short cable runs. The choke is shielded by a soft-magnetic metal energy converter. The Rogowski coil is arranged in the housing parallel to the transformer core, for example made of nanocrystalline material. Further advantageous configurations mentioned above can be integrated.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Leistungsschalters bzw. eines Energiewandlers.All of the configurations, both in a dependent form related back to
Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.The characteristics, features and advantages of this invention described and the manner in which they are achieved will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawing.
Dabei zeigt die Zeichnung:
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1 ein erstes Schaltbild mit einer Drossel zur Erläuterung der Erfindung, -
2 ein Simulationsbild mit einer erfindungsgemäß vollständig geschirmten Drossel, -
3 ein Simulationsbild mit einer erfindungsgemäß u-förmig geschirmten Drossel, -
4 ein kombinierter Energie- und Meßwandler für einen Leistungsschalter in einer ersten Ansicht, -
5 ein kombinierter Energie- und Meßwandler für einen Leistungsschalter in einer zweiten Ansicht.
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1 a first circuit diagram with a choke to explain the invention, -
2 a simulation image with a choke that is completely shielded according to the invention, -
3 a simulation image with a U-shaped shielded choke according to the invention, -
4 a combined energy and measurement converter for a circuit breaker in a first view, -
5 a combined energy and measuring transducer for a circuit breaker in a second view.
Der Kern KCT des Energiewandlers CT weist dabei ferner eine Sekundärseite SW auf, die durch eine oder mehrere Windungen einer Sekundärwicklung bzw. -spule gebildet ist.
Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung SW bilden den sekundärseitigen Ausgang des Energiewandlers CT, der eine Energieversorgung für die beiden Eingänge der mindestens einen Steuereinheit ETU des nicht dargestellten Leistungsschalters zur Verfügung stellt.
Jeweils ein Ausgang ist mit einem Eingang elektrisch verbunden. In mindestens einer Verbindung zwischen Aus- und Eingang ist eine Drossel L vorgesehen, d.h. in Serie zur Sekundärwicklung SW geschaltet.
Der Stromkreis kann eine Niederspannungsstromkreis sein.
The core KCT of the energy converter CT also has a secondary side SW, which is formed by one or more turns of a secondary winding or coil.
The two connections of the secondary winding SW form the secondary-side output of the energy converter CT, which provides an energy supply for the two inputs of the at least one control unit ETU of the circuit breaker, which is not shown.
Each output is electrically connected to an input. A choke L is provided in at least one connection between the output and input, ie connected in series with the secondary winding SW.
The circuit may be a low voltage circuit.
Über der Sekundärwicklung SW ist die Drossel L (seitlich) versetzt angeordnet.
Die Drossel L ist vollständig von einem weichmagnetischem Blech BL umgeben. Das weichmagnetische Blech BL dient als Schirmung.
In
The choke L is offset (laterally) above the secondary winding SW.
The choke L is completely surrounded by a soft magnetic sheet BL. The soft magnetic sheet BL serves as shielding.
In
Die offene Seite des U ist vom Primärleiter PS, dem Trafokern KCT und der Sekundärwicklung SW abgewandt. Die Basis des U ist diesen zugewandt.
Innerhalb des U ist nur ein magnetisches Restfeld vorhanden. Dies ist an Hand der in
The open side of the U faces away from the primary conductor PS, the transformer core KCT and the secondary winding SW. The base of the U faces these.
Inside the U there is only a residual magnetic field. This is based on the in
Die Offene Seite des U ist dem Trafokern KCT und der Sekundärwicklung SW abgewandt. Die Basis des U ist Richtung Trafokern KCT bzw. Sekundärwicklung SW orientiert.
Das Gehäuse weist eine Öffnung OF auf. Die Öffnung OF ist für einen Leiterabschnitt respektive Leiter des Niederspannungsstromkreises vorgesehen. Dieser bildet die Primärseite / den Primärleiter PS des Energiewandlers CT.
Der Trafokern KCT umschließt die Öffnung OF, wobei zwischen Trafokern KCT und Primärleiter PS Gehäusematerial des Gehäuses GEH vorgesehen ist, das aus nichtleitendem Material besteht, beispielsweise Kunststoff, wie Polyethylen oder PVC. Lediglich angedeutet ist die Rogowskispule RS, die im Gehäuse GEH parallel unter dem Trafokern KCT liegt.
The open side of the U faces away from the transformer core KCT and the secondary winding SW. The base of the U is oriented towards the transformer core KCT or the secondary winding SW.
The housing has an opening OF. The opening OF is provided for a conductor section or conductor of the low-voltage circuit. This forms the primary side/the primary conductor PS of the energy converter CT.
The transformer core KCT encloses the opening OF, housing material of the housing GEH being provided between the transformer core KCT and the primary conductor PS, which consists of non-conductive material, for example plastic such as polyethylene or PVC. The Rogowski coil RS, which is located in the housing GEH parallel under the transformer core KCT, is only indicated.
Die offenbarte Erfindung optimiert das Design für den Arbeitsbereich hoher primärer Kurzschlussströme.The disclosed invention optimizes the design for the high primary short circuit current operating range.
Die mit dem Primärstrom verbundene hohe magnetische Feldstärke führt zu einer Vormagnetisierung in der räumlich nah angeordneten Drossel. Diese Vormagnetisierung reduziert die Speicherwirkung der Drossel und damit den Arbeitsbereich des Designs durch magnetische Sättigungseffekte im weichmagnetischen Kern der Drossel. Der störende magnetische Fremdfluss innerhalb der Drossel kann durch Führung in einem umgebend angeordneten weichmagnetischen Schild um die Drossel herumgeführt werden. Auf diese Weise wird der Arbeitsbereich des Designs in den Bereich höchster Kurzschlussströme erweitert.The high magnetic field strength associated with the primary current leads to pre-magnetization in the choke that is located close by. This pre-magnetization reduces the storage effect of the choke and thus the working range of the design due to magnetic saturation effects in the soft magnetic core of the choke. The disturbing external magnetic flux within the choke can be guided around the choke by being guided in a soft-magnetic shield arranged surrounding it. In this way, the working range of the design is extended to the area of the highest short-circuit currents.
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