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Die Erfindung betrifft die konstruktive Gestaltung und die Herstellung eines geschlossenen Magnetkreises.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wandler mit einem derartigen Magnetkreis und eine Schutzeinheit, die zur Überwachung eines durch einen Primärstromleiter fließenden Stromes anhand vorgegebener Parameter dient und bei der ein Wandler mit einem derartigen geschlossenen Magnetkreis vorgesehen ist.
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Derartige Schutzeinheiten weisen in bekannter Weise Systeme auf, die zu ihrem Betrieb mit einer Hilfsenergie gespeist werden müssen.
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So weisen beispielsweise Niederspannungs-Leistungsschalter häufig eine Schutzeinheit mit einem mit Hilfsenergie zu speisenden Auslösesystem in Form eines Überstromauslösers (electronic trip unit) auf, die den Primärstrom aller Hauptstrombahnen (aller Pole bzw. aller Phasen) fremdspannungsunabhängig überwacht und bei Überlast und/oder Kurzschluss einen Abschaltmechanismus betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahn angeordneter Schaltkontakte bewirkt.
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Diese Hilfsenergie soll möglichst nicht aus einer Batterie oder aus einem fremdgespeisten Hilfsnetz bezogen werden, da Batterien eine beschränkte Lebensdauer aufweisen und Hilfsnetze ausfallen können.
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Die Schutzeinheiten sollen also soweit möglich fremdenergieunabhängig sein und weisen daher häufig Anordnungen mit Wandlern auf, die die für die Funktion derartiger Systeme benötigte Hilfsenergie aus dem Primärstrom der Hauptstrombahnenbeziehen. Hierzu wandeln die Wandler beispielsweise einen Teil der Primärenergie der Strombahn eines Hauptstromkreises des zu schützenden bzw. zu überwachenden Energieverteilernetzes bei Stromfluss in eine von dem System nutzbare Hilfsenergie (z. B. Spannung) um.
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Häufig arbeiten diese Wandler nach dem transformatorischen Prinzip und weisen hierzu als Magnetkreis beispielsweise einen Eisenkreis auf.
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Beim Einsatz eisenbehafteter Wandler steht jedoch auf Grund der ihnen eigenen physikalischen Eigenschaften, eine ausreichende Energieversorgung erst ab einem minimalen Primärstrom zur Verfügung, der den Arbeitsbereich der Schutz- und Überwachungseinrichtungen nach unten begrenzt. So führt eine derartige Begrenzung des Arbeitsbereiches eines elektronischen Überstromauslösers eines Niederspannungs-Leistungsschalters zwangsläufig dazu, dass der Schutzbereich dieses Niederspannungs-Leistungsschalters nach unten begrenzt ist.
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Um das Betriebsverhalten derartiger, nach dem transformatorischen Prinzip arbeitender Wandler zu verbessern, wurden in der Vergangenheit beispielsweise auch deren Magnetkreise – insbesondere hinsichtlich ihrer konstruktiven Gestaltung, ihres Eisenquerschnittes und ihrer Eisenqualität – optimiert, um den Wert des minimalen Primärstroms für die Energieversorgung so weit wie möglich zu verkleinern.
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So ist beispielsweise aus der deutschen Übersetzung
DE 696 22 359 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 779 634 B1 ein gattungsgemäßer geschlossener Magnetkreis für einen Wandler eines Leistungsschalters bekannt, der aus um einen Primärstromleiter geführten, aufeinandergestapelten, jeweils nur mit einer Schnittfuge versehenen Blechen besteht und bei dem das Betriebsverhalten (die Leistungsübertragung) des Wandlers bei kleinen Strömen durch eine Optimierung der Schnittfugen verbessert wird.
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Häufig machen derartige, die Leistungsübertragung bei kleinen Strömen optimierende konstruktive Maßnahmen weitere Maßnahmen an anderer Stelle notwendig, um die dann bei großen Strömen übertragene Leistung zu begrenzen, so wie dies beispielsweise aus der deutschen Übersetzung
DE 696 22 359 T2 der europäischen Patentschrift
EP 0 779 634 B1 bekannt ist.
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Ausgehend von einem geschlossenen Magnetkreises mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 (
DE 696 22 359 T2 ) liegt der Erfindung ebenfalls die Aufgabe zu Grunde, den Magnetfluss im Magnetkreis so zu optimieren, dass das Betriebsverhalten (die Leistungsübertragung) bei kleinen Strömen verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Magnetkreis zur zumindest zweifachen Umschlingung eines Primärstromleiters zumindest zwei Schlingen bildet, deren Innenseiten einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Primärstromleiters begrenzen.
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Da bei gleichem Primärstrom mit zunehmender Anzahl der Schlingen in dem Magnetkreis eine höhere magnetische Feldstärke und ein größerer magnetischer Fluss erzeugt werden, kann mittels der Anzahl der Schlingen die Leistungsübertragung eines mit einem derartigen Magnetkreis ausgestatteten Wandler so gesteigert werden, das insbesondere bei kleinen Primärströmen ein zur fremdspannungsunabhängigen Energieversorgung der genannten Schutz- und Überwachungseinrichtungen geeigneter Sekundärstrom abgreifbar ist. Dabei ist durch geeignete Dimensionierung des Abstandes zwischen den jeweils benachbarten der Schlingen (Windungen) eine weitere gezielte Steuerung und Aufteilung des magnetischen Flusses möglich. Insbesondere ist über den Abstand der Schlingen (der Windungen) eine Steuerung des sogenannten „Übersprechens” bei großen Strömen möglich, so dass die übertragene Leistung bei großen Strömen – also im oberen Abschnitt des Arbeitsbereiches des Wandlers – auf einfache Weise begrenzt werden kann. Vorzugsweise ist der neue Magnetkreis ein insbesondere luftspaltloser Magnetkern.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Schutzvorrichtung ist vorgesehen, dass ein Abschnitt zumindest einer der Schlingen zur Aufnahme einer Wicklung eines Sekundärstromleiters die anderen der Schlingen überragt. Dadurch, dass nur eine oder nur einige der Schlingen den Kern für den Sekundärleiter bilden, kann das Übersetzungsverhältnis in vorteilhafter, montagetechnisch einfacher Weise über die Anzahl dieser den Sekundärleiter durchgreifenden Schlingen gesteuert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Magnetkreises sind die Schlingen aus zumindest zwei zusammengefügten Blechen aus ferromagnetischem Material, insbesondere aus Eisen, gebildet, wobei diese Bleche vorzugsweise als Gleichteile ausgebildet sind. Diese Ausführungsform des neuen Magnetkreises ist auf einfache Weise hestellbar, indem die zumindest zwei der Bleche aus ferromagnetischem Material zunächst insbesondere durch Schneiden und anschließendes Biegen, derart gestaltet werden, dass sie nach einem anschließenden Zusammenfügen zur zumindest zweifachen Umschlingung des Primärstromleiters die genannten zumindest zwei Schlingen bilden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des neuen Magnetkreises sind die Schlingen aus zumindest einem gewickelten und endseitig zusammengefügten Band aus ferromagnetischem Material, insbesondere aus Eisen, gebildet. Auch diese Ausführungsform des neuen Magnetkreises ist auf einfache Weise hestellbar, indem als ferromagnetisches Element ein Band bereitgestellt wird, aus dem zunächst zur zumindest zweifachen Umschlingung des Primärstromleiters zumindest zwei Schlingen gebildet werden und indem anschließend die beiden Enden des Bandes zusammengefügt werden
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Der neue Magnetkreis findet bevorzugt Einsatz in Wandlern elektrischer Schaltgeräte, die nach dem transformatorischen Prinzip arbeiten, wobei hierzu der geschlossene Magnetkreis einen Primärstromleiter umschlingt und ein Sekundärleiter um einen Abschnitt des Magnetkreises gewickelt ist.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der 1 bis 8 näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltanordnung zur Unterbrechung eines Hauptstromkreises mit einer Schutzeinheit, die ein Auslösesystem und über Anschaltungen an das Auslösesystem angeschlossene Wandler zur Gewinnung von Hilfsenergie zum Betrieb des Auslösesystems und zur Gewinnung eines Stromsignals umfasst, wobei ein Magnetkreis der Wandler eine Hauptstrombahn zumindest zweifach umschlingt,
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2 bis 6 erste Ausführungsformen der in der 1 gezeigten Wandler, und
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7 und 8 zweite Ausführungsformen der in der 1 gezeigten Wandler.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltanordnung 1 in Form eines Niederspannungs-Leistungsschalters mit einer Schutzeinheit 2 zur Überwachung des durch Strombahnen (Hauptstrompfade eines Energieverteilernetzes) fließenden Stromes, die Primärstromleiter 3 bildet. Bei dieser elektrischen Schaltanordnung wird ein Teil der Primärenergie der Primärstromleiter bei Stromfluss nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators in Hilfsenergie zur Speisung eines Auslösesystems 4 in Form eines Überstromauslösers umgewandelt, wobei der Überstromauslöser in Abhängigkeit von vorgegebenen Parametern einen Abschaltmechanismus 5 in Form eines Schaltschlosses betätigt, der die selbsttätige Trennung im Zuge der Strombahnen angeordneter Schaltkontakte 6, 7 bewirkt. Hierzu weist die Schutzeinheit 2 eine Anordnung zur Gewinnung der Hilfsenergie in Form nach dem Prinzip eines elektrischen Transformators wirkender Wandler 8a auf.
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Die Wandler 8a sind über eine Anschaltung 9 in Form einer Gleichrichterschaltung an zwei Eingänge 10, 11 des Überstromauslösers zur Einsspeisung der Hilfsenergie angeschlossen und stellen die Energieversorgung des Überstromauslösers sicher.
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Weiterhin weist die Schutzeinheit weitere Wandler 8b auf, die über eine weitere Anschaltung 13 an weitere zwei Eingänge 14, 15 des Überstromauslösers angeschlossen sind und dem Überstromauslöser die Primärströme abbildende Messsignale liefern.
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Die Wandler 8a und 8b weisen jeweils einem geschlossenen Magnetkreis 16a bzw. 16b und eine Wicklung 17a bzw. 17b eines Sekundärstromleiters auf, wobei die Magnetkreise 16a, 16b als luftspaltlose Magnetkerne aus Eisen ausgebildet sind.
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Zur zumindest zweifachen Umschlingung der Primärstromleiter bildet jeder der geschlossenen Magnetkreise 16a, 16b der Wandler 8a, 8b jeweils zumindest zwei Schlingen 18a, 19a bzw. 18b, 19b, deren Innenseiten einen Aufnahmeraum 12 zur Aufnahme jeweils eines der Primärstromleiter 3 begrenzen, wobei ein Abschnitt einer der Schlingen 19a bzw. 19b zur Aufnahme der Wicklung 17a bzw. 17b des zugeordneten Sekundärstromleiters die andere Schlinge 18a bzw. 18b überragt.
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Bei den in den 2 und 6 gezeigten ersten Ausführungsformen 108; 308 des erfindungsgemäßen Wandlers sind die Schlingen 118, 119; 318, 319 aus zumindest zwei zusammengefügten Blechen 120 bzw. 320, 321 aus ferromagnetischem Material, insbesondere aus Eisen, gebildet, wobei die Bleche 120 und 320 als Gleichteile ausgebildet sind. Die von den Innenseiten begrenzten Aufnahmeräume 112; 312 weisen hier einen an den Querschnitt des den Aufnahmeraum durchgreifenden Primärstromleiters 103; 303 angepassten rechteckigen Querschnitt auf.
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Der Magnetkreis der in der 2 gezeigten Ausführungsform 108 des Wandlers besteht beispielsweise aus genau zwei zusammengefügten Blechen 120.
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Gemäß der 3 sind diese Bleche 120 nach ihrem Zuschnitt aus einem geeigneten Eisenblech zunächst G-förmig. Sie weisen also einen Basisschenkel 122, zwei sich an die Enden des Basisschenkels anschließende rechtwinklig zu dem Basisschenkel abgewinkelte und unterschiedlich lang ausgebildete Seitenschenkel 123, 124 sowie zwei sich an die Seitenschenkel 123, 124 anschließende, rechtwinklig zu den Seitenschenkeln abgewinkelte Endschenkel 125, 126 auf, wobei die Endschenkel 125, 126 in einem zweiten Verfahrensschritt aus der durch den Basisschenkel und die Seitenschenkel gebildeten Ebene herausgebogen werden.
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Gemäß der 5 werden die beiden Bleche 120 insbesondere nach dem Aufwickeln des Sekundärstromleiters bzw. nach dem Aufstecken der Wicklung 117 des Sekundärstromleiters beispielsweise durch Schweißen zusammengefügt.
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Gemäß der 4 können aber auch mehrere jeweils zu Blechpaketen aufeinandergestapelte der G-förmigen Bleche 220 zu zwei G-förmigen Blechpaketen 227 zusammengefügt werden. Auch hier werden die Endschenkel 225, 226 der G-förmigen Bleche dann in einem zweiten Verfahrensschritt aus der durch den Basisschenkel 222 und die Seitenschenkel 223, 224 gebildeten Ebene herausgebogen und insbesondere nach dem Aufwickeln des Sekundärstromleiters beispielsweise durch Schweißen zusammengefügt.
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Bei der in der 6 gezeigten Ausführungsform 308 des Wandlers besteht der Magnetkreis 316 zusätzlich zu den zwei als Gleichteile ausgebildeten G-förmigen Blechen 320 noch aus einem weiteren zwischen die beiden G-förmigen Bleche gefügten weiteren O-förmigen Blech 328, und weist daher eine dritte Schlinge 329 auf.
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Durch die drei Schlingen 318, 318 und 329 wird bei gleichem Primärstrom in diesem Magnetkreis 316 eine höhere magnetische Feldstärke und damit ein größerer magnetischer Fluss erzeugt als in dem in der 5 gezeigten Magnetkreis 116, der nur zwei der Schlingen 118 und 119 aufweist.
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Bei den in den 7 und 8 gezeigten zweiten Ausführungsformen 408 und 508 des erfindungsgemäßen Wandlers sind die Schlingen 418, 419; 518, 519 aus mehreren aufeinandergestapelten Bändern 430; 530 aus ferromagnetischem Material in Form von Eisen gebildet. Bei der Herstellung werden aus diesen Bändern 430; 530 insbesondere nach Aufbringen der Wicklung 417; 517 des Sekundärstromleiters zur zumindest zweifachen Umschlingung des Primärstromleiters 403; 503 zumindest zwei Schlingen 418, 419; 518, 519 gebildet. Anschließend werden die beiden Enden jedes der Bänder 430; 530 insbeosndere durch Schweißen zusammengefügt.
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Sowohl bei den in den 2 und 6 dargestellten ersten Ausführungsformen als auch bei den in den 7 und 8 gezeigten zweiten Ausführungsformen des neuen Magnetkreises 116; 316; 416; 516 ist durch geeignete Dimensionierung des Abstandes zwischen den jeweils benachbarten der Schlingen (Windungen) eine gezielte Steuerung und Aufteilung des magnetischen Flusses möglich. Insbesondere ist über den Abstand der Schlingen (der Windungen) eine Steuerung des sogenannten „Übersprechens” bei großen Strömen möglich, so dass die übertragene Leistung bei großen Strömen – also im oberen Abschnitt des Arbeitsbereiches der Wandler – auf einfache Weise begrenzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69622359 T2 [0010, 0011, 0012]
- EP 0779634 B1 [0010, 0011]
