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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzvorrichtung zum Überwachen eines Netzes mit einem Gehäuse, einem Summenstromwandler in dem Gehäuse zur Lieferung eines Summenstroms von dem Netz, einer ersten Erfassungsschaltung, die in das Gehäuse eingebaut ist, zur Erfassung des Summenstroms und einer Auslöseeinrichtung, die ebenfalls in das Gehäuse eingebaut und von der ersten Erfassungsschaltung angesteuert ist.
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Fehlerstrom-(FI)Schutzvorrichtungen (auch Fehlerstromschutzschalter genannt) dienen in Verbraucheranlagen zum Personen- und Brandschutz. Fehlerstromschutzschalter gegen Erdfehlerströme bzw. technische Ableitströme, auch RCD (Residual Current Device) genannt, sind Schutzschaltgeräte, die den elektrischen Stromkreis überwachen, um elektrische Fehler (Installationsfehler bzw. Schutz bei direktem Berühren) in Installationen zu detektieren und abzuschalten.
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Da unterschiedliche Fehlerströme (Gleichströme und Wechselströme aller Art) von Fehlerstromschutzschaltern erfasst werden sollen, unterscheidet man unterschiedliche Typen von Fehlerstromschutzschaltern. So dienen Fehlerstromschutzschalter bzw. Fehlerstromschutzvorrichtungen vom Typ AC lediglich zur Erfassung von sinusförmigen Wechselfehlerströmen. Fehlerstromschutzvorrichtungen vom Typ A erfassen neben sinusförmigen Wechselfehlerströmen auch pulsierende Gleichfehlerströme. Darüber hinaus erfassen Fehlerstromschutzvorrichtungen vom Typ F zusätzlich Fehlerströme, die aus einem Frequenzgemisch von Frequenzen bis 1 kHz bestehen. Schließlich dienen Fehlerstromschutzvorrichtungen vom Typ B neben der Erfassung der Fehlerstromformen des Typs F auch zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen, d.h. sie sind allstromsensitiv. Die Erfassung von Gleichfehlerströmen erfordert in der Regel einen zusätzlichen Summenstromwandler und eine Elektronikeinheit, welche eine separate Stromversorgung benötigt. Daher sind Fehlerstromschutzschalter vom Typ B netzspannungsabhängig.
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Netzspannungsunabhängige Fehlerstromschutzschalter beispielsweise vom Typ A oder F besitzen den prinzipiellen Aufbau gemäß 1. Ein netzspannungsunabhängiger Summenstromwandler 1 erfasst einen Summenstrom von mehreren Leitungen (z. B. Phasenleitungen L1, L2, L3 und Nullleitung N in einem Dreiphasensystem), welche die Primärseite 2 des Summenstromwandlers 1 bilden. Ein typischerweise ringförmiger Kern ist in 1 als linienförmiger Wandlerkern 3 symbolisiert. Die Sekundärseite 4 des Summenstromwandlers 1 wird üblicherweise von einer Spule um den ringförmigen Wandlerkern 3 gebildet. Das Ausgangssignal der Sekundärseite 4 repräsentiert den Summenstrom und wird einer Auslöserschaltung bzw. Erfassungsschaltung 5 zugeführt. Diese wird meist durch eine Flachbaugruppe gebildet. Die Erfassungsschaltung 5 erfasst eine Amplitude des Wechselstroms und produziert ein Auslösesignal, wenn die Wechselstromamplitude eine Bemessungsstromgrenze überschreitet. Mit dem Ausgangssignal der Erfassungsschaltung 5 wird ein Haltemagnet bzw. eine Auslöseeinrichtung 5 gesteuert. Diese Auslöseeinrichtung 6 unterbricht im Auslösefall, d.h. bei zu hohem Summenstrom, die stromführenden Netzleitungen.
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Ein Prinzipschaltbild eines klassischen netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalters Typ B ist in 2 wiedergegeben. Der obere Teil der Schaltung mit dem ersten Summenstromwandler 1, der daran angeschlossenen ersten Erfassungsschaltung 5 und der Auslöseeinrichtung 6 entspricht dem Aufbau von 1. Die Komponenten 1 bis 5 werden auch als FI-Teil bezeichnet.
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Parallel zu diesem netzspannungsunabhängigen FI-Teil besitzt der Fehlerstromschutzschalter Typ B einen netzspannungsabhängigen DI-Teil (Differenzstrom). Dieser umfasst einen netzspannungsabhängigen Summenstromwandler 11 mit Primärseite 12, Summenstromwandlerkern 13 und Sekundärseite 14. Die Sekundärseite 14 wird mit Pulsen erregt, die von einer nicht näher dargestellten Elektronik erzeugt werden. Dazu ist eine entsprechende Netzspannungsversorgung notwendig. Dem Sekundärteil 14 schließt sich signaltechnisch eine zweite Erfassungsschaltung 15 an, welche typischerweise digital ausgeführt ist. Sie dient dazu, aus dem Signal des zweiten Summenstromwandlers 11 einen Gleichfehlerstrom zu erkennen und ein entsprechendes Auslösesignal an die Auslöseeinrichtung 6 zu senden. Der Fehlerstromschutzschalter ist damit in der Lage nicht nur einen Wechselfehlerstrom, sondern auch einen Gleichfehlerstrom zu erkennen und für eine entsprechende Unterbrechung zu sorgen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst flexible und genaue Fehlerstromschutzvorrichtung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Fehlerstromschutzvorrichtung zum Überwachen eines Netzes mit
- – einem Gehäuse,
- – einem Summenstromwandler in dem Gehäuse zur Lieferung eines Summenstroms von dem Netz,
- – einer ersten Erfassungsschaltung, die in das Gehäuse eingebaut ist, zur Erfassung des Summenstroms und
- – einer Auslöseeinrichtung, die ebenfalls in das Gehäuse eingebaut und von der ersten Erfassungsschaltung angesteuert ist,
wobei
- – die erste Erfassungsschaltung netzspannungsabhängig ist,
- – eine in das Gehäuse eingebaute, netzspannungsabhängige, zweite Erfassungsschaltung an den Summenstromwandler angeschlossen ist,
- – die erste und die zweite Erfassungsschaltung von einem in das Gehäuse eingebauten Netzteil mit Energie versorgbar sind,
- – die zweite Erfassungsschaltung dazu ausgebildet ist, eine Impedanz an einer Sekundärspule des Summenstromwandlers zu messen und die Auslöseeinrichtung in Abhängigkeit von dem Messergebnis anzusteuern.
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In vorteilhafter Weise besitzt also die erfindungsgemäße Fehlerstromschutzvorrichtung zwei separate Erfassungsschaltungen, die jeweils netzspannungsabhängig sind. Insbesondere eine der Erfassungsschaltungen ist dafür geeignet, die Impedanz einer Sekundärspule des Summenstromwandlers zu messen, wodurch die Eignung zur Gleichstromerfassung entsteht. Die zweite Erfassungsschaltung muss dann nur noch Wechselströme erfassen. Durch die Zweiteiligkeit und die jeweilige Netzspannungsversorgung entsteht eine erhöhte Flexibilität, was unter anderem für höhere Genauigkeit genutzt werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die erste Erfassungsschaltung ausschließlich zur Erfassung von Wechselstromkomponenten des Summenstroms ausgebildet. Dadurch kann auf eine aufwendige Erregung für die Gleichstromerfassung in dieser ersten Erfassungsschaltung verzichtet werden. Folglich kann ein verhältnismäßig einfacher Aufbau der ersten Erfassungsschaltung gewählt werden.
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Die zweite Erfassungsschaltung kann zur Erfassung von Gleichstromkomponenten und Wechselstromkomponenten des Summenstroms ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich bereits eine gewisse Redundanz, da die erste Erfassungsschaltung in der Regel mindestens zur Wechselstromerfassung ausgelegt sein wird. Eine solche Redundanz erhöht die Detektionssicherheit der Fehlerstromschutzvorrichtung.
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Alternativ kann die zweite Erfassungsschaltung auch ausschließlich zur Erfassung von Gleichstromkomponenten des Summenstroms ausgebildet sein. Wenn die zweite Erfassungsschaltung nur zur Gleichstromerfassung ausgelegt ist, sind keine hohen Erregerfrequenzen für die Erfassung hochfrequenter Wechselstromkomponenten notwendig. Vielmehr reichen für die reine Gleichstromerfassung relativ niedrige Erregerfrequenzen. Damit kann der Aufbau der Fehlerstromschutzvorrichtung strukturell einfach gewählt werden. Dies ist insbesondere auch von Vorteil, wenn die zweite Erfassungsschaltung für digitale Signalverarbeitung ausgelegt ist.
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Vorzugsweise ist die erste Erfassungsschaltung teilweise analog ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Summenstromsignal vom Summenstromwandler im Wesentlichen analog verarbeitet wird. Die Steuerung der ersten Erfassungsschaltung kann dann beispielsweise digital erfolgen ebenso wie die Bereitstellung eines Ausgangssignals.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Summenstromwandler der einzige Summenstromwandler in dem Gehäuse und eine Umschalteinrichtung ist in dem Gehäuse angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, die beiden Erfassungsschaltungen wechselweise an den Summenstromwandler zu schalten. Trotz der beiden Erfassungsschaltungen kann somit eine Ein-Wandler-Lösung bereitgestellt werden, die nicht nur platzsparend, sondern auch kostengünstig ist.
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Darüber hinaus kann die Fehlerstromschutzvorrichtung eine Statusanzeige aufweisen, mit der ein Repräsentant des Messergebnisses der zweiten Erfassungsschaltung anzeigbar ist. Die Statusanzeige kann in eine Anzeige einer Mikroprozessor-Steuereinheit der Fehlerstromschutzvorrichtung integriert sein. Eine solche Statusanzeige kann eine einfache LED, aber auch eine Digitalanzeige und dergleichen sein. Mit ihr lässt sich beispielsweise anzeigen, ob die zweite Erfassungsschaltung zu einem Auslösen der Fehlerstromschutzvorrichtung geführt hat oder nicht. Insbesondere lässt sich auch anzeigen, welche Stromkomponente des Summenstroms zum Auslösen geführt hat. In der Regel ist es nämlich durchaus von Bedeutung, bei Anlagen unterscheiden zu können, ob ein Fehlerstrom oder ein Ableitstrom zum Auslösen geführt hat. Dabei kann der „Repräsentant des Messergebnisses“ sowohl das Messergebnis selbst als auch beispielsweise eine binäre Darstellung desselben oder ein darauf basierendes sonstiges Signal sein. Alternative Statusanzeigen umfassen blinkende Leuchtmittel oder numerische Anzeigen von Messergebnissen.
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Ferner kann die Fehlerstromschutzvorrichtung eine Schnittstelle aufweisen, mit der Daten bezüglich des Messergebnisses der zweiten Erfassungsschaltung aus dem Gehäuse nach außen übertragbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Messdaten nicht nur aufgezeichnet, sondern auch für eine weitere Datenauswertung verwendet werden können. Insbesondere können damit auch weitere Steuerungen von Anlagen beeinflusst werden. Günstigerweise wird die erste und die zweite Erfassungsschaltung von einem gemeinsamen Mikroprozessor gesteuert. Durch die gemeinsame digitale Steuerung kann der Gesamtaufbau der Fehlerstromschutzvorrichtung mit den beiden Erfassungsschaltungen, wovon eine auch analog sein kann, einfach gewählt werden.
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Die zweite Erfassungsschaltung kann dazu ausgebildet sein, eine Impedanz an der Auslöseeinrichtung zu messen und ein Signal in Abhängigkeit von dem Messergebnis auszugeben. Dies bedeutet, dass die zweite Erfassungsschaltung nicht nur zur Überwachung des Summenstromwandlers, sondern auch zur Überwachung der Auslöseeinrichtung dienen kann. Somit lässt sich sowohl beim Summenstromwandler als auch bei der Auslöseeinrichtung ein Drahtbruch auf einfache Weise detektieren.
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Zur weiteren Vereinfachung der Fehlerstromschutzvorrichtung kann das Netzteil der zweiten Erfassungsschaltung einphasig sein. Mit einem derart einfachen Netzteil können insbesondere die Kosten von mehrphasigen Fehlerstromschutzvorrichtungen reduziert werden. Wenn dann auch noch gleichzeitig eine einfache Schwellwertfunktion zur Gleichstromerkennung genutzt wird, kann eine sehr kostengünstige Fehlerstromschutzvorrichtung bereitgestellt werden, die allstromsensitiv ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild eines netzspannungsunabhängigen Fehlerstromschutzschalters mit Wechselstromerfassung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Prinzipschaltbild eines netzspannungsabhängigen Fehlerstromschutzschalters mit Gleich- und Wechselstromerfassung gemäß dem Stand der Technik; und
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3 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Fehlerstromschutzvorrichtung zur Gleichstrom- und Wechselstromerfassung mit rein netzspannungsabhängigen Komponenten.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die geschilderten Merkmale auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendet werden können, sofern dies technisch möglich und nicht anders angegeben ist.
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Die in 3 beispielhaft dargestellte Fehlerstromschutzvorrichtung besitzt ein Gehäuse 21, in das die nachfolgenden Elektronikkomponenten eingebaut sind. Insbesondere befindet sich in dem Gehäuse 21 hier ein einziger Summenstromwandler 22. Dieser besitzt einen ringförmigen Wandlerkern 23, durch den die Stromleitungen L1, L2, L3 und N hindurchgeführt sind. Bei diesen Leitungen handelt es sich hier um ein Dreiphasensystem mit den Phasenleitungen L1, L2 und L3 sowie der Nullleitung N. Alternativ kann es sich natürlich auch um ein Einphasensystem mit nur zwei Leitungen oder um jedes andere Mehrphasensystem handeln.
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Die Stromleitungen L1, L2, L3 und N stellen die Primärseite des Summenstromwandlers 22 dar. Die Sekundärseite des Summenstromwandlers bildet eine Spule 24, die an einer Seite um den ringförmigen Kern 23 gewickelt ist. Der Summenstromwandler 22 bildet die vektorielle Summe der Ströme in den Stromleitungen L1, L2, L3 und N und gibt sekundärseitig einen entsprechenden Summenbetrag aus.
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An die sekundärseitige Spule 24 des Summenstromwandlers ist eine netzspannungsabhängige erste Erfassungsschaltung 25 angekoppelt, mit welcher Wechselströme detektierbar sind. Besitzt also der Summenstrom, der von der Spule 24 geliefert wird, eine Wechselstromkomponente, so wird sie von dieser ersten Erfassungsschaltung 25 erfasst. Diese erste Erfassungsschaltung 25 besitzt üblicherweise einen Verstärker und ein Filter, um die Wechselstromkomponenten zu verarbeiten. Die erste Erfassungsschaltung kann digital ausgebildet sein, vorzugsweise ist sie jedoch analog ausgebildet. Am Ende liefert die erste Erfassungsschaltung 25 ein Ausgangssignal, das optional noch durch eine Mikroprozessoreinheit 31 weiterverarbeitet wird. Gegebenenfalls stellt das Ausgangssignal der ersten Erfassungsschaltung 25 aber bereits ein Auslösesignal für eine Auslöseeinrichtung 26 dar. In diesem Fall dient die Mikroprozessoreinheit 31 zur Steuerung der ersten Erfassungsschaltung 25 und/oder zur Koordination von deren Ausgangssignal. Wenn nun die gesamte Wechselstromkomponente oder eine spektrale Komponente davon eine vorgegebene Bemessungsstromgrenze überschreitet, so erzeugt die erste Erfassungsschaltung 25 gegebenenfalls mit der Mikroprozessoreinheit 31 das oben erwähnte korrespondierende Auslösesignal für die Auslöseeinrichtung 26.
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Die Auslöseeinrichtung 26 kann insbesondere einen Haltemagneten aufweisen, welcher Teil eines Relais ist. Ein solches Relais ist dann üblicherweise dazu ausgebildet, die Stromleitungen L1, L2, L3 und N im Auslösefall zu unterbrechen, wie dies in 3 dargestellt ist.
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Eine Umschalteinrichtung 27 ermöglicht, dass anstelle der ersten Erfassungsschaltung 25 eine zweite Erfassungsschaltung 28 an die sekundärseitige Spule 24 des einzigen Summenstromwandlers 22 angeschaltet wird. Die zweite Erfassungsschaltung 28 besitzt hier ein entsprechendes Ansteuerteil für die Umschalteinrichtung 27. Dieses Ansteuerteil kann aber ebenso in der ersten Erfassungsschaltung 25 oder der Mikroprozessoreinheit 31 vorgesehen sein. Weiterhin besitzt die zweite Erfassungsschaltung 28 einen Schaltungsteil zur Anregung der Sekundärspule 24 für die Gleichstromerfassung. Ferner besitzt die zweite Erfassungsschaltung 28 hier auch einen Verstärker und ein Filter sowie einen A/D-Wandler zur Signalverarbeitung. Die Aufgabe der Umschalteinrichtung kann auch durch eine angepasste Filterstufe z.B. in der Erfassungsschaltung 25 erledigt werden.
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Die zweite Erfassungsschaltung 28 ist üblicherweise digital ausgeführt und wird von der Mikroprozessoreinheit 31 gesteuert. Gegebenenfalls wird auch das Ausgangssignal der zweiten Erfassungsschaltung 28, die üblicherweise für die Gleichstromerfassung vorgesehen ist, auch in der Mikroprozessoreinheit 31 weiterverarbeitet. Damit kann die Mikroprozessoreinheit 31 sowohl auf der Basis des Ausgangssignals der ersten Erfassungsschaltung 25 als auch auf der Basis des Ausgangssignals der zweiten Erfassungsschaltung 28 das Auslösesignal für die Auslöseeinrichtung 26 generieren.
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Wie die erste Erfassungsschaltung 25 so ist auch die zweite Erfassungsschaltung 28 netzspannungsabhängig. Dies bedeutet, dass für beide Erfassungsschaltungen 25 und 28 ein in das Gehäuse 21 eingebautes Netzteil 29 vorgesehen ist. Dieses Netzteil versorgt die Elektronik der ersten Erfassungsschaltung 25 und die Elektronik der zweiten Erfassungsschaltung 28, aber auch weitere Signalverarbeitungskomponenten der Fehlerstromschutzvorrichtung, sofern dies nötig ist. Beispielsweise kann also die Mikroprozessoreinheit 31 oder beispielsweise eine Schnittstelle 30 mit Energie von dem Netzteil 29 versorgt werden.
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Das Netzteil 29 gewinnt hier seine Energie von den Stromleitungen L1, L2, L3 und N. Alternativ handelt es sich um ein einphasiges Netzteil, welches lediglich von einer einzigen Phasenleitung Energie abgreift.
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Die zweite Erfassungsschaltung 28 benötigt die Energie von dem Netzteil 29, um zur Gleichstromerfassung die Spule 24 zu erregen. Im Fall der Sättigung des Wandlermagneten 23 aufgrund einer hohen Gleichstromkomponente im Summenstrom ist die Impedanz der Spule 24 unabhängig von der Erregerfrequenz. Dies ist für die zweite Erfassungsschaltung ein Indiz dafür, dass im Summenstrom eine große Gleichstromkomponente enthalten ist und die Fehlerstromschutzvorrichtung daher ausgelöst werden muss. Dementsprechend steuert die zweite Erfassungsschaltung 28 die Auslöseeinrichtung 26 unabhängig von der ersten Erfassungsschaltung 25 an.
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Die optionale Schnittstelle 30 dient zum Datenaustausch der Fehlerstromschutzvorrichtung mit der Außenwelt. Bei der Schnittstelle kann es sich um einen Kabelanschluss oder um ein kabelloses Interface (z. B. für WLAN oder Bluetooth) handeln. Über diese Schnittstelle 30 können aktuelle Daten bezüglich der Messungen der beiden Erfassungsschaltungen 25 und 28 oder auch einfache Zustandsdaten (z. B. Auslösesignal „0“ oder „1“) zur externen Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Eine solche Schnittstelle 30 kann auch zur Busankopplung dienen.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Schnittstelle kann eine Statusanzeige 32 an dem Gehäuse 21 vorgesehen sein. Dadurch kann auch der Status der beiden Erfassungsschaltungen 25 und 28 angezeigt werden. Handelt es sich bei der Statusanzeige beispielsweise um eine einfache LED, so könnten verschiedene Blinkmodi zur Unterscheidung der Fehlerströme herangezogen werden.
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Mit der obigen Struktur gelingt ein Aufbau eines aktiven Fehlerstromschutzschalters bzw. Differenzstromschutzschalters DI vom Typ B mit nur einem einzigen Wandler und einer elektromechanischen bzw. elektronischen Umschalteinheit zwischen AC-Teil (erste Erfassungsschaltung 25) und DC-Teil (zweite Erfassungsschaltung 28). Es handelt sich also um eine reine netzspannungsabhängige Version für AC-Erkennung und DC-Erkennung komplett mit Mikroprozessorsteuerung.
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Vorzugsweise liegt also eine getrennte Auswertung von AC-Teil und DC-Teil vor. Der DC-Teil erkennt günstigerweise mindestens den reinen DC-Fehlerstrom. In diesem Fall sind keine hohen Abtastraten der Mikroprozessoreinheit bzw. keine hohen Erregerfrequenzen für die DC-Erkennung notwendig. Folglich ergibt sich ein kostengünstiger, platzsparender Aufbau des DC-Teils, d.h. der zweiten Erfassungsschaltung 28. Optional können mit dem DC-Teil auch Wechselstromkomponenten im Summenstrom erkannt werden, wodurch eine Steigerung der Redundanz in der Auslösesicherheit erreicht werden kann.
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Der AC-Teil, d.h. die erste Erfassungsschaltung 25, sollte zumindest den spektralen Rest im Summenstrom erkennen. Eine Realisierung der Fehlerstromerkennung für hohe Frequenzen bis mindestens 100 kHz oder mehr stellt zumindest bei Verwendung von Analogtechnik im AC-Teil kein Problem dar. Da also zumindest teilweise Analogtechnik eingesetzt werden kann, ist ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Fehlerstromschutzvorrichtung erreichbar. Insgesamt kann so ein Fehlerstromschutzschalter mit der üblichen Schaltungstechnik eines FI, gepaart mit aktiver Elektronik, Mikroprozessor und Operationsverstärker etc. realisiert werden. Eine solche komplette Steuerung/Überwachung von AC- und DC-Teil durch die Mikroprozessoreinheit einschließlich der reinen netzspannungsabhängigen Lösung sorgt für eine maximale Flexibilität, Genauigkeit und Funktionalität (Zusatzfunktionen).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Summenstromwandler
- 2
- Primärseite
- 3
- Wandlerkern
- 4
- Sekundärseite
- 5
- Erfassungsschaltung
- 6
- Auslöseeinrichtung
- 11
- Summenstromwandler
- 12
- Primärseite
- 13
- Wandlerkern
- 14
- Sekundärseite
- 15
- Erfassungsschaltung
- 21
- Gehäuse
- 22
- Summenstromwandler
- 23
- Wandlerkern
- 24
- Spule
- 25
- Erfassungsschaltung
- 26
- Auslöseeinrichtung
- 27
- Umschalteinrichtung
- 28
- Erfassungsschaltung
- 29
- Netzteil
- 30
- Schnittstelle
- 31
- Mikroprozessoreinheit
- 32
- Statusanzeige
- L1, L2, L3
- Phasenleitung
- N
- Nullleiter
