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Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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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.
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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.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint.
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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 Stromkreis. 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.
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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.
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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.
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Häufig bildet hierbei ein Leiter des elektrischen Stromkreises die Primärseite des Energiewandlers. D.h. beispielsweise ist der elektrische Leiter die Primärspule des Energiewandlers.
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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.
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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:
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Der Sekundärstrom I2 ergibt sich durch das Windungsverhältnis N2, der Windungszahl der Sekundärwicklung, zum Primärstrom I1, wobei der zur Erzeugung des magnetischen Flusses notwendige Magnetisierungsstrom Iµ vom Primärstrom abzuziehen ist.
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Das Produkt beider Sekundärgrößen definiert die Scheinleistung des Stromwandlers, Ps=U*I2. 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.
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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.
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Aktuell im Einsatz sind bei Leistungsschaltern Energiewander, wie Stromwandler, die bis ca. 200% des definierten Primärstromes im linearen Bereich arbeiten.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 22 515 A1 wird eine Abschirmung für eine Summenstrom-Wandleranordnung für Fehlerstrom-Schutzschalter offenbart. Summenstrom-Wandleranordnung für insbesondere Fehlerstrom-Schutzschalter mit verbesserter Abschirmung (148) gegen insbesondere Dipolanteile des magnetischen Wechselfluss-Feldes der Primärstromleitung. Ausführung der Abschirmung aus elektrisch hochohmigem Material oder aus Material mit bemessener Dick als mehrschalige oder geblechte Abschirmung.
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Die Übersetzung der europäischen Patentschrift
DE 60 2006 000 237 T2 offenbart eine Differenzstrom-Messeinrichtung, Auslösemodul mit einer solchen Messeinrichtung und eine Abschaltvorrichtung mit einem solchen Modul. Differenzstrom-Messeinrichtung (9) zur Messung des Differenzstroms in mindestens zwei Stromleitungen, welche Einrichtung
- - einen ersten Magnetkreis (16), der dazu dient, um die Stromleitungen (25) geführt zu werden und so einen Primärkreis eines Wandlers zu bilden,
- - eine erste Sekundärwicklung (11), die um den genannten Magnetkreis geführt ist und den Sekundärkreis des Wandlers bildet,
- - sowie eine, um die erste Sekundärwicklung (11) und den Magnetkreis (16) geführte Metallabschirmung (10) umfasst. Mindestens eine zweite Sekundärwicklung (2) ist um mindestens einen Teil der Metallabschirmung (10) geführt, die einen zweiten Magnetkreis mindestens eines zweiten Stromwandlers bildet, welcher dazu dient, ein elektrisches Signal zu liefern, das einen in mindestens einer Stromleitung (25) fließenden Strom abbildet.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 1 693 943 A2 offenbart eine Vorrichtung zur allstromsensitiven Erfassung eines elektrischen Differenzstromes. Die Vorrichtung dient zur allstromsensitiven Erfassung eines elektrischen Differenzstromes. Sie umfasst Eingangskontakte (8, 9, 10, 11) und Ausgangskontakte (12, 13, 14, 15) sowie dazwischen verlaufende Primärleiter (16, 17, 18, 19), die hinsichtlich des Differenzstromes überwacht sind und dazu durch einen Durchgangsbereich (4) eines allstromsensitiven Summenstromwandlers (2) hindurchgeführt sind. Eine Auswerteeinheit ist zur Ermittlung des Differenzstromes aus einem Ausgangssignal des Summenstromwandlers (2) vorgesehen. Der Summenstromwandler (2) ist so angeordnet, dass seine Mittenachse (3) parallel zur Richtung des Abstands (15a) zwischen den Reihen der Eingangs- und Ausgangskontakte (8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15) orientiert ist. Dadurch resultiert ein sehr platzsparender und einfach herzustellender Aufbau.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 15 38 014 A offenbart einen Sättigungsstromwandler. Sättigungsstromwandler mit mindestens zwei magnetischen Zweigen, wobei einer dieser Zweige einen Luftspalt besitzt. Die Primärwicklung (1) nur mit dem luftspaltlosen Zweig (I) verkettet ist und dieser luftspaltlose Zweig (I) im Bereich der Primärwicklung (1) einen kleineren Eisenquerschnitt aufweist als der mit Luftspalt (3) versehene Zweig (II).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere die Scheinleistung bzw. Erwärmung zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird für einen Leistungsschalter ausgehendend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird die Fehlanpassung durch Einfügen einer strombegrenzenden Drossel kompensiert, denn der Blindwiderstand dieser Drossel steigt ebenfalls mit der Sekundärstromamplitude und Frequenz an. 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 eingefügt. Dabei ist das Auftreten hoher Spannungsspitzen zwischen Energie- bzw. Stromwandler und Drossel, von denen ein Gefährdungspotential bei sehr schnellen Änderungen des Primärstroms (große Amplitude oder hohe Frequenz) ausgehen kann, zu beachten. Erfindungsgemäß wird ein spezielles magnetisches Konzept vorgeschlagen, die den Energiewandler und die nachgeschaltete strombegrenzende Drossel in ein magnetisches Gesamtmodul vereinen.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte Realisierung für einen strombegrenzten Energiewandler, insbesondere für die Energieversorgung einer Steuerungseinheit eines Leistungsschalters, zur Verfügung gestellt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umgibt das Abschirmblech die Sekundärwicklung und den Drosselkern teilweise. Das Abschirmblech ist insbesondere als U-förmiges Profil oder Platte ausgestaltet.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Funktionalität der Drossel bis in den Bereich höchster primärer Kurzschlussströme sichergestellt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Drosselkern eine Mittelöffnung auf, durch die mindestens ein Teil oder die kompletten Windungen der Sekundärwicklung (15) geführt sind. Beispielsweise ist der Drosselkern als Ringkern oder viereckiger Kern mit entsprechender Öffnung ausgestaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine effektiven Drosselgestaltung durchgeführt werden kann und der magnetische Fluss im Kern konzentriert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Drosselkern als zwei- oder mehrteiliger Kern ausgeführt ist. Beispielsweise durch zwei U-förmige, C-förmige o.ä. Kerne, die zusammen gefügt werden. Alternativ auch durch eine U-I Kern-Kombination. Diese Kerne können insbesondere durch Klemmmittel zusammengehalten werden.
Dies hat den Vorteil einer einfachen Montage.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Drosselkern parallel zur Primärwicklung oder/und senkrecht zum Kern angeordnet ist. Hierbei ist insbesondere einerseits eine senkrechte Montage, d.h. im rechten Winkel zueinander, der Hauptebenen des Kernes des Energiewandlers und des Drosselkernes gemeint. Mit Hauptebene ist insbesondere die Ebene größter Fläche des Kernes gemeint.
Andererseits ist mit insbesondere paralleler Montage des Drosselkernes zur Primärwicklung, insbesondere zum Primärleiter, die parallele Ausrichtung der Hauptebene des Drosselkerns zur Längsrichtung des Primärleiters, insbesondere der Hauptebene der Primärleiters, gemeint.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass das magnetische Feld des Primärleites homogen auf den Drosselkern einwirkt. Andererseits, dass die magnetischen (Rest-)Felder des Kernes und des Drosselkernes senkrecht zueinander stehen und die Beeinflussung untereinander minimiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Sekundärwicklung eine erste und eine zweite Wicklung auf. Diese sind insbesondere räumlich voneinander getrennt. Insbesondere sind diese auf ersten und zweiten Spulenkörpern angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die sekundärseitige Energiemenge des Energiewandlers durch die erste Wicklung und die weitere strombegrenzte Wirkung der Drossel durch die zweite Wicklung separat eingestellt werden können. Dies vorteilhaft in einem kompakten Design.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umgibt die zweite Wicklung einen zweiten Bereich des Drosselkernes, der weiter beabstandet vom Kern ist, als der Bereich der ersten Wicklung. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Einfluss des Kernes auf die zweite Wicklung minimiert wird, wodurch eine bessere Einstellbarkeit der strombegrenzenden Wirkung ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung setzt die Wickelrichtung der zweiten Wicklung die Wickelrichtung der ersten Wicklung der Sekundärwicklung entlang der magnetischen Kernlänge des Drosselkerns fort. Insbesondere derart, dass sich die magnetischen Flüsse der ersten und zweiten Wicklung im Drosselkern konstruktiv überlagern.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich eine höhere Gesamtwindungszahl bzw. Induktivität für die Drossel sowie eine optimierte Dimensionierung des Gesamtdesigns ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Energiewandler einen Kern auf oder/und die Drossel einen Drosselkern auf, dessen:
- a) Remanenzflussdichte (Br2) kleiner als 30% oder kleiner als 20% der Sättigungsflussdichte (Bs2) ist oder
- b) Koerzitivfeldstärke (Hc2) kleiner als 10 A/m oder kleiner als 5 A/m ist.
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Alternativ, dass der Energiewandler einen Kern (10) aufweist, dessen Sättigungsflussdichte (Bs2) mindestens 1 T, insbesondere mindestens 1,2 T, ist.
Alternativ, dass der Energiewandler einen ferromagnetischen Kern aus nanokristallinen Material aufweist, insbesondere ein nanokristalliner Bandkern ist.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine hohe Permeabilität für niedrige Aufwachbedingungen bzw. schmale Hysterese zu Minimierung der Ummagnetisierungsverluste gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Drosselkern zumindest teilweise aus ferromagnetisches Pulver gebildet, insbesondere aus Fe-, Fe/Ni-Legierungs- oder Ferritpulver.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine gute Drosselwirkung erzielt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Abschirmblech die Elemente Fe, Ni oder Co auf oder ist insbesondere eine Legierung mit mindestens einem der genannten Elemente.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass die magnetische Feldstärke des Primärleiters im Bereich des Drosselkernes deutlich reduziert wird, so dass wenig zusätzlicher Leistung in den Drosselkern bzw. Sekundärkreis induziert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Abstandselement elektrisch isolierend. Insbesondere besteht es aus einer Art von Plaste, Keramik, Glas oder Hartpapier/-pappe.
Dies hat den besonderen Vorteil, das Wirbelströme bzw. magnetischer Streufluss zwischen Kern und Drosselkern minimiert wird, insbesondere wenn beider Kerne mit Ihren magnetischen Hauptflüssen senkrecht zueinander angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Drosselkern einen Luftspalt auf. Insbesondere kann der Drosselkern hierbei aus hochpermeablem Material ausgeführt sein. Insbesondere einteilig, zwei- oder mehrteilig. Hierbei ist mindestens ein Luftspalt vorgesehen. Im Luftspalt kann ein Material eingefügt sein, wie ein isolierendes oder/und nichtmagnetisches Material.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere Einstellmöglichkeit für die Induktivität der Drossel durch Wahl des Verhältnisses von magnetischer Drosselkernlänge zu Breite des Luftspalts gegeben ist. Bevorzugt können hierbei Materialien für den Drosselkern mit kleinen magnetischen Kernverlusten eingesetzt werden.
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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.
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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.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
- 1 ein erstes Schaltbild mit einer erfindungsgemäßen Drossel,
- 2 (2a, 2b, 2c) eine erste Ausgestaltung eines Energiewandlers mit einer Drossel,
- 3 (3a, 3b, 3c) eine zweite Ausgestaltung eines Energiewandlers mit einer Drossel,
- 4 ein erstes Diagramm mit einer ersten Hysterese-Kurve,
- 5 ein zweites Diagramm mit einer zweiten Hysterese-Kurve,
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1 zeigt ein erstes Schaltbild zur Erläuterung der Erfindung. Eine als Energiequelle dienende Wechselstromquelle AC versorgt einen als Energiesenke dienenden Energie-Verbraucher Load. Ein Leiter diese Stromkreis bildet die Primärseite 20 eines Energiewandlers CT. Dabei kann der Leiter mehrere Windungen einer Primärsule des Energiewandlers CT aufweisen. Es kann aber auch lediglich der Leiter (ohne Windung) gerade durch bzw. an einen Kern 10 des Energiewandlers CT durch- oder vorbeigeführt sein.
Der Kern 10 des Energiewandlers CT weist dabei ferner eine Sekundärseite 15 auf, die durch eine oder mehrere Windungen einer Sekundärwicklung bzw. -spule 15 gebildet ist.
Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung 15 bilden den sekundärseitigen Ausgang des Energiewandlers CT, der eine Energieversorgung für die beiden Eingänge der mindestens einen Steuereinheit ETU des nicht weiter dargestellten Leistungsschalters zur Verfügung stellt. Der Leistungsschalter weist weiterhin mindestens einen Kontakt CB auf, mit dem der elektrische (Primär-)Stromkreis unterbrochen werden kann.
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Jeweils ein Ausgang ist mit einem Eingang elektrisch verbunden.
Erfindungsgemäß ist in mindestens einer Verbindung zwischen Aus- und Eingang eine Drossel L vorgesehen.
Hierbei sind entsprechend auftretende Spannungen zu beachten, die durch High Voltage gekennzeichnet sind.
Insbesondere bei sehr schnellen Änderungen des Primärstromes (große Amplitude oder hohe Frequenz) treten hohe Spannungsspitzen zwischen Stromwandler und Drossel auf, von denen ein Gefährdungspotential ausgeht.
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2 zeigt eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers mit Drossel. 2a zeigt einen ring- bzw. viereck-förmigen Kern 10 des Energiewandlers CT. Dieser umgibt den Primärleiter 20, der als Primärwicklung des Energiewandlers CT dient. Dieser ist in seiner Schnittansicht durch schräg straffierte Linien gezeigt.
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Ein Teil des Kernes 10 ist durch ein Abschirmblech 31 umgeben.
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2b zeigt eine Seitenansicht des Energiewandlers gemäß 2a, mit dem Unterschied, dass Details unter dem Abschirmblech 31 gezeigt sind. Ein Teil des Kernes 10 bzw. ein Kernabschnitt wird von einer Sekundärwicklung 15 umgeben. Diese kann beispielsweise einen Spulenkörper 16 aufweisen, auf dem die Sekundärwicklung 15 aufgewickelt bzw. angebracht ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Montage des Energiewandlers ermöglicht wird.
Die Sekundärwicklung 15 umgibt nicht nur einen Kernabschnitt des Kernes 10, sondern auch einen Teil des erfindungsgemäßen Drosselkernes 11 bzw. einen Kernabschnitt des Drosselkernes 11.
Kern 10 und Drosselkern 11 sind dabei durch ein Abstandselement 30 voneinander isoliert. Insbesondere ist ein Kernschenkel des Drosselkerns 10 parallel zu einem Kernschenkel des Kerns 10 angeordnet. Die Hauptebenen beider Kerne, d.h. die Ebenen größter Fläche der Kerne, sind dabei beispielsweise im rechten Winkel bzw. senkrecht zueinander angeordnet. Insbesondere kann die Hauptebene des Drosselkerns parallel zum die Primärwicklung bildenden Primärleiter angeordnet sein, insbesondere zur Erstreckungsrichtung, beispielsweise der Längsrichtung oder/und Hauptebene, des Primärleiters, wie in 2b gezeigt.
Der Drosselkern kann dabei als einteiliger, zwei- oder mehrteiliger Kern ausgeführt sein, der insbesondere durch Klemm- oder Haltenasen 26 zusammengehalten wird.
Das Abschirmblech 31 ist in seinem Umlauf nicht geschlossen, sondern kann in U-, C-, Platten- oder ähnlicher Form ausgestaltet sein, wie beispielsweise in 2b gezeigt.
Das Abschirmblech 31 umgibt beispielsweise sowohl die Sekundärwicklung 15, den Drosselkern 11, als auch mindestens einen Teil des Kernschenkels des Kerns 10.
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In 2c ist eine Ansicht von unten gezeigt. Hierbei wird eine beispielhafte Position der Klemm- oder Haltenasen 26 sichtbar. Ferner ist der Drosselkern 11 in einer viereckigen, zweiteiligen U/U-Form ausgeführt, der durch die Klemm- oder Haltenasen 26 zusammengehalten wird.
Der Drosselkern 11 ist bevorzugt als geteilter oder einteiliger Ringkern, viereckiger Kern, U/U, U/I, E/E, E/I oder ähnlicher Kern denkbar; d.h. bevorzugt mit mindestens einer Mittelöffnung, durch die insbesondere mindestens ein Teil bzw. Teilabschnitt der Sekundärwicklung geführt ist.
Der Drosselkern kann weiterhin auch mindestens einen Luftspalt 50 aufweisen.
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3 zeigt eine Ausgestaltung gemäß 2, mit dem Unterschied, dass die Sekundärwicklung eine erste 15 und eine zweite 35 Wicklung aufweist.
Die erste Wicklung 15 umgibt dabei sowohl den Kern 10 als auch den Drosselkern 11. Die zweite Wicklung 35 umgibt dabei nur den Drosselkern 11.
Beispielsweise umgibt die erste Wicklung 15, neben dem Kern 10, einem ersten, beispielsweisen Energiewandler-Kern 10 nahen, Abschnitt bzw. Schenkel des Drosselkernes 11. Die zweite Wicklung 35 umgibt dabei nur den Drosselkern, beispielsweise einen anderen Schenkel des Drosselkerns, zum Beispiel einen Energiewandler-Kern 10 entfernten Abschnitt oder Schenkel des Drosselkerns.
Die beiden Wicklungen sind beispielsweise mittels einer Verbindungleitung 40 miteinander verbunden.
Die zweite Wicklung 35 kann auf einem weiteren bzw. zweiten Spulenkörper 36 angeordnet sein. Dies erleichtert die industrielle Fertigung und Montage.
Auch hierbei kann der Drosselkern einen Luftspalt 50 aufweisen.
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4 zeigt ein Diagramm mit einer ersten magnetischen Hysterese-Kurve, beispielsweise für einen gewickelten FeSi-Ringbandkern. Auf der horizontalen X-Achse des Diagramms ist die magnetische Feldstärke H in A/m (Ampere pro Meter) aufgetragen. Auf der vertikalen Y-Achse ist der magnetische Fluss B in T (Tesla) aufgetragen. Es ist eine typische Hysterese aufgetragen, wie sie dem Fachmann bekannt ist. Diese Art der Kurve wird auch als so genannte Z-Form bezeichnet. Wesentliche Eigenschaften des Materials, die in der Kurve eingezeichnet sind, sind die magnetische Sättigungsflussdichte Bs1, die Remanenzflussdichte Br1, häufig auch nur als Remanenz bezeichnet, und die Koerzitivfeldstärke Hc1.
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Wird ein ferromagnetischer Kern mit einer elektrischen Primärwicklung bzw. Primärspule bewickelt und durch den elektrischen Leiter der Primärwicklung ein Strom geschickt, so erzeugt das resultierende Magnetfeld H [A/m] einen magnetischen Fluss B [T] im Kern. Die Bewicklung kann auch nur eine Windung betragen bzw. es kann ein Leiter durch einen (Ring-)Kern geführt werden, so genannte halbe Windungszahl, um einen magnetischen Fluss im Kern zu erzeugen.
Dieser magnetische Fluss nimmt mit zunehmenden Magnetfeld bzw. zunehmender magnetischer Feldstärke zu. Allerdings nicht beliebig, sondern nur bis zur so genannten Sättigungsflussdichte Bs1. Ist diese erreicht, bewirkt eine Erhöhung der magnetischen Feldstärke H keine Erhöhung des magnetischen Flusses B im Kern. Der Fluss bleibt konstant bei der Sättigungsflussdichte Bs1. Dies ist in 1 mit dem neben dem rechtseitigen Teil der Kennlinie dargestellten aufsteigenden Pfeil angedeutet.
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Wird das Magnetfeld H nur wieder auf den Wert Null (H=0 A/m) reduziert, so verbleibt im Kern dennoch ein magnetischer Fluss Br1. Dieser wird als Remanenzflussdichte Br1 bezeichnet.
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Erst mit einem entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feld (negative magnetische Feldstärke in 1) kann man den magnetischen Fluss im Kern wieder auf den Wert Null (B=0 T) bringen. Die dazu erforderliche magnetische Feldstärke Hc1 wird als Koerzitivfeldstärke Hc1 bezeichnet. Dies ist in 1 mit dem neben dem linksseitigen Teil der Kennlinie dargestellten absteigenden Pfeil angedeutet.
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Der remanente magnetische Fluss im Kern Br1 des Energiewandlers ist problematisch. Erfindungsgemäß sollte der Kern in einer Ausgestaltung möglichst kleine Remanenz aufweisen. Dies wird in einer Ausgestaltung erfindungsgemäß mit einem nanokristallinen Kern als Energiewandler erreicht.
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Nanokristalline Bänder aus ferromagnetischen Materialien entstehen durch die Rascherstarrung der Schmelze auf einer rotierenden Scheibe bzw. Rolle zu einem amorphen Band und definierte thermische und magnetische Nachbehandlung des aufgewickelten amorphen Bands.
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Die thermische Nachbehandlung des Bands (Glühprozess) führt zu einer Rekristallisation im Band. Es bilden sich Nanokristalle mit ferromagnetischen Eigenschaften. Erfolgt dieser Rekristallisationsprozess unter einem äußeren magnetischen Feld, dann wird bei der Bildung der Nanokristalle die leichte Achse der Magnetisierung mit der Magnetfeldrichtung orientiert. Nach Abkühlen des aufgewickelten nanokristallinen Bands hat man einen ferromagnetischen Kern mit sehr hoher Permeabilität und sehr schmaler magnetischer Hysterese, d.h. sehr geringer magnetischer Verlustleistung. Magnetische Kerne und Stromwandler dieser Art können bis in den MHz Bereich betrieben werden.
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Die Hysterese-Kurve eines solchen Kernes ist in 5 dargestellt. 5 zeigt ein Diagramm gemäß 4, mit dem Unterschied, dass eine magnetische Hysterese-Kurve für beispielsweise einen nanokristallinen Ringbandkern, insbesondere mit transversaler Anisotropie, dargestellt ist. Dieser zeichnet sich durch eine viel kleinere Restflussdichte Br2 und einer viel kleineren Koerzitivfeldstärke Hc2 aus.
Die magnetische Sättigungsflussdichte Bs2 ist dabei annähernd so groß, wie die in 4 gezeigte.
Die Kurve hat eine so genannte F-Form (F für flat).
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Für die Anwendung als Energiewandler für Leistungsschalter zur Energieversorgung einer Steuereinheit ETU, d.h. als magnetisch gekoppelte Eigenenergieversorgung der elektronischen Auslöseeinheit im Leistungsschalter, sind die relativ hohe Sättigungspolarisation von 1,2 T (mindestens 1 T) und die sehr hohe Permeabilität besonders vorteilhaft. Die geringen magnetischen Kernverluste sind besonders in stark stromoberschwingungsbehafteten Stromnetzen von Vorteil, wie sie heute den Leistungsschaltern zunehmend ausgesetzt sind, da kornorientiertes Elektroblech bei hohen Frequenzen sehr hohe magnetische Verlustleistungen aufweist.
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Wie vorstehend beschrieben wird durch das magnetische Feld während der Rekristallisation die magnetische Ausrichtung im gewickelten Bandkern beeinflusst. Ist das magnetische Feld ringförmig um den Mittelpunkt des Ringkerns orientiert, so entsteht eine longitudinale magnetische Anisotropie im nanokristallinen Band. Ringkerne dieser Art weisen eine extrem hohe Permeabilität aber auch eine stark ausgeprägte Z-Form der magnetischen Hysterese auf. Daher zeigen solche Kerne einen ausgeprägten remanenten magnetischen Fluss.
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Wird dagegen das äußere magnetische Feld homogen parallel zur Ringkernachse ausgerichtet, dann entsteht während der Rekristallisation eine transversale magnetische Anisotropie. Ringkerne dieser Art aus nanokristallinem Band weisen nahezu keinen remanenten magnetischen Fluss auf, da sich ohne äußeres Feld die magnetische Polarisation der Nanokristalle senkrecht zum Ringumfang ausrichtet. Die magnetische Hysterese hat eine F-Form, wie in 5 dargestellt. Trotzdem weisen Kerne dieser Art eine Permeabilität auf, die mit klassischem Elektroblech vergleichbar ist, wobei zusätzlich die magnetische Verlustleistung im nanokristallinen Ringbandkern sehr viel kleiner ist.
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Nanokristalline Ringkerne dieser Art können bei vergleichbarem magnetischem Kernquerschnitt die gewickelten Ringkerne aus kornorientiertem Elektroblech ersetzen, was insbesondere für Leistungsschalter, insbesondere für kompakte oder offene Leistungsschalter, von Vorteil ist.
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Durch die Erfindung lässt sich ein Leistungsschalter mit einem vergleichsweise kleinen Energiewandler realisieren, der auch in oberschwingungsbehafteten Netzen und bei hohen Primärströmen, die die definierten Ströme übersteigen, realisieren, wobei eine zuverlässige Energieversorgung für eine Steuereinheit gegeben ist.
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Mit einem Kern aus nanokristallinen Bänd lassen sich im Rahmen der Erfindung folgende Vorteile realisieren:
- Sehr hohe Permeabilität;
- Hohe magnetische Sättigungspolarisation;
- => Deutlich kleinerer Bauraum als bei Ringkernen aus Ferritmaterial bei gleicher Scheinleistung;
- => Eignung für typische Netzfrequenzen.
- Ähnliche Baugröße zu Kernen aus Elektroblech bei gleicher Scheinleistung;
- => einfacher Ersatz in bestehenden Designs.
- Sehr schmale magnetische Hysterese, d.h. geringe magnetische Verlustleistung;
- => Eignung für hohe Frequenzen;
- => Eignung für stark stromoberschwingungsbelastete Netze.
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Weiterhin ergeben sich durch die während des Rekristallisationsprozesses einstellbare magnetische Anisotropie folgende Vorteile:
- Sehr geringer remanenter magnetischer Fluss durch transversale magnetische Anisotropie;
- => Kein Remanenzeffekt;
- => Unverzögerte Auslösebereitschaft einer Steuereinheit, z.B. ETU, im Leistungsschalter unabhängig von der „Vorgeschichte“ beim vorhergehenden Ausschalten/Auslösen des Leistungsschalters.
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Im Folgenden wird die Erfindung in Ausgestaltungen weiter erläutert.
Für einen Energie- bzw. Stromwandler ist ein Kern 10 um den elektrischen Primärleiter 20 angeordnet. Dieser sollte eine hohe Permeabilität für niedrige Aufwachbedingungen oder/und schmale Hysterese zur Minimierung von Ummagnetisierungsverlusten aufweisen.
Insbesondere ein Kern 10, dessen:
- a) Remanenzflussdichte Br2 kleiner als 30% oder kleiner als 20% der Sättigungsflussdichte Bs2 ist oder
- b) Koerzitivfeldstärke Hc2 kleiner als 10 A/m oder kleiner als 5 A/m ist, ist hierfür bevorzugt geeignet.
Alternativ ein Kern 10, dessen Sättigungsflussdichte Bs2 mindestens 1 T, insbesondere mindestens 1,2 T, ist.
Alternativ ein ferromagnetischer Kern 10 aus nanokristallinen Material, insbesondere ein nanokristalliner Bandkern.
Solch ein Material kann auch für den Drosselkern eingesetzt werden.
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Der magnetische Kreis der strombegrenzenden Drossel 11 ist bevorzugt aus ferromagnetischem Pulver, wie z.B. Fe-, Fe/Ni-Legierungs- oder Ferritpulver). Beispielsweise in U/U oder U/I Form ausgeführt. Die Sekundärwicklung 15 des Stromwandlers umschließt neben dem magnetischen (Haupt-)Kern 10 auch den magnetischen Drosselkern 11. Beide magnetischen Kerne sind gegeneinander bevorzugt elektrisch oder/und magnetisch isoliert angeordnet. Dies wird beispielsweise durch ein isolierende, z.B. elektrisch oder/und unmagnetische, Abstandselement bzw. -scheibe 30 mit passender Außenform erreicht.
Das Abstandselement bzw. -scheibe 30 sowie die z.B. zwei Halbkerne des Drosselkerns 11 können nach Herstellung der Sekundärwicklung in z.B. den Spulenkörper 16 gesteckt werden. Die z.B. Halbkerne werden z.B. mechanisch zusammengeklammert, z.B. durch konstruktiv integrierte Klemm-/Haltenasen 26 am Spulenkörper.
Bei diesem Konzept wirkt die Sekundärwicklung des Stromwandlers auch als Drosselwicklung über dem zweiten magnetischen Drosselkern 11. Der oben genannte Spannungspeak durch die strombegrenzende Drossel tritt damit nicht außerhalb der Sekundärwicklung 15 auf. Innerhalb der Sekundärwicklung 15 muss mit höheren induzierten Spannungen gerechnet werden, die sich aber entlang der Sekundärwicklung 15 verteilen. Daher kann das Spannungsgefälle zwischen zwei benachbarten Wickeldrähten z.B. durch eine angemessene Drahtisolierung aufgefangen werden.
Das elektrisch isolierende Abstandselement bzw. platte 30 verhindert elektrische Wirbelströme innerhalb oder über den Querschnitt dieser Platte 30. Die Abstandselement bzw. Plattendicke sowie die Eigenschaft, dass diese aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht, verhindern magnetischen Streufluss zwischen beiden Kernen. Damit insbesondere elektrische Wirbelströme über, z.B. senkrecht, aus den Kernen austretenden magnetischen Feldkomponenten.
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Idealerweise sind z.B. (Haupt-)Kern 10 und Drosselkern 11 senkrecht zueinander angeordnet, d.h. der Drosselkern 11 liegt z.B. parallel zum Primärleiter 20. Damit wird erreicht, dass das magnetische Feld des Primärleiters 20 homogen auf den Drosselkern 11 einwirkt und möglichst wenig zusätzliche Leistung in den Sekundärkreis induziert. Ein zwischen dem Primärleiter und dem Drosselkern angeordnetes, z.B. magnetisches, Abschirmblech 31 reduziert z.B. die magnetische Feldstärke des Primärleiters im Bereich des Drosselkerns weiter. Dieses Abschirmblech 31 ist nicht geschlossen, sondern füllt nur den Bereich zwischen Primärleiter und Sekundärspule, z.B. als Platte oder U-Profil.
Beide Maßnahmen sollen unabhängig voneinander die Funktionalität der strombegrenzenden Drossel bis in den Bereich höchster primärer Kurzschlussströme sicherstellen.
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Die Aufteilung der Sekundärwicklung in eine erste (bisherige) und zweite Wicklung 35, bringt vorteilhafte Erweiterungen. Die bisherigen Punkte werden dabei beibehalten, wie z.B.:
- -optimierter Stromwandler um den elektrischen Primärleiter 20,
- -zusammengeklemmter zweiteiliger Drosselkern 11 aus Pulvermaterial,
- -Sekundärwicklung 15 umschließt (Haupt-)Kern 10 und Drosselkern 11,
- -elektrisch und magnetisch isolierende Abstandsplatte 30 zwischen beiden Kernen,
- -senkrechte Anordnung beider magnetischer Kerne,
- -magnetisches Abschirmblech 31 zwischen Primärleiter und Drosselkern.
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Bisherig wird hierbei die Induktivität der Drossel durch die magnetischen Eigenschaften des Drosselkerns 11, wie dessen magnetischem Querschnitt, eingestellt. Die Windungsanzahl der Sekundärwicklung ist durch die Anforderungen an den Stromwandler bzw. die Steuereinheit ETU festgelegt. Magnetischer Querschnitt und Permeabilität müssen so dimensioniert werden, dass der Drosselkern 11 in allen Betriebssituationen im linearen Bereich unterhalb der magnetischen Sättigung arbeitet.
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Da die Windungszahl quadratisch in die Induktivität eingeht, ergibt sich i.d.R. eine größere Windungsanzahl für die Drossel als für den Stromwandler wünschenswert wäre, um eine gute Strombegrenzung des Gesamtdesigns zu erreichen.
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Eine optimierte Dimensionierung der strombegrenzenden Drossel wird erfindungsgemäß erreicht, wenn eine (ergänzende) zweite Wicklung 35 über einen freien Bereich des Drosselkerns, z.B. ohne Kontakt zum (Haupt-)kern 10, gelegt wird.
Die Wickelrichtung der zweiten Wicklung 35 setzt z.B. die Wickelrichtung der ersten Wicklung 15 entlang der magnetischen Kernlänge im Drosselkreis fort. Somit ergibt sich eine höhere Gesamtwindungsanzahl für die Drossel und damit einen höhere Induktivität sowie eine optimierte Dimensionierung des Gesamtdesigns.
Durch die sich ergebende Teilung der Drosselinduktivität ist ein Teil der Gegenspannung an der Verbindungstelle zwischen beiden Wicklungen sichtbar. Die Höhe des Spannungspeaks ergibt sich aus dem Verhältnis der beiden Induktivitätsanteile und ist daher geringer als bei kompletter Trennung von Stromwandler und Drossel. Weiterhin ist die Lage des Spannungspeaks lokal eingegrenzt zwischen den beiden Wicklungen womit die Betrachtung der Luft- und Kriechstrecken vereinfacht wird.
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Der Blindwiderstand der Drossel in Serienschaltung zwischen Energie- bzw. Stromwandler (Leistungsquelle) und Steuereinheit ETU (Leistungssenke) kompensiert die Leistungsfehlanpassung zwischen Quelle und Senke. Daraus ergeben sich die, bereits teilweise erwähnten, Vorteile:
- -Sekundär nicht benötigte Leistung wird nicht in Wärme umgesetzt
- => Das Thermische Design wird deutlich vereinfacht.
- => Die Energieeffizienz wird verbessert.
- -Das Konzept funktioniert bei verschiedenen Frequenzen, da die linear mit der Frequenz ansteigende Sekundärspannung aus dem Stromwandler auf einen linear mit der Frequenz steigenden Blindwiderstand der Drossel trifft.
- -Der Sekundärstrom wird durch den Blindwiderstand begrenzt. Alle Bauteile in der Versorgungsschaltung innerhalb der Steuereinheit ETU (z.B. Gleichrichterdioden, elektronischer Bypass, etc.) können für diese geringeren Ströme ausgelegt werden.
- => Damit ergeben sich Kosten- und Platzvorteile.
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Spannungsspitzen werden durch das hier vorgestellte erfindungsgemäße integrierte Konzept vermieden bzw. deutlich reduziert. Damit wird das elektrische Gefährdungspotential deutlich verringert.
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Eine entscheidende erfindungsgemäße Erweiterung liegt in der vollständigen magnetischen Trennung der beiden magnetischen Kreise / Kerne von Energie-/Stromwandler und Drossel, insbesondere durch das Abstandselement/-platte 30.
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Daraus ergeben sich die folgenden Vorteile:
- -Vermeidung von magnetischen (Streu-)Flüssen zwischen beiden Kreisen / Kernen.
- => Keine zusätzlichen Wirbelströme durch senkrechte magnetische Flusskomponenten.
- => Keine stark überhöhte Erwärmung bei Stromoberschwingungen.
- -Klar getrennte Dimensionierung für Stromwandler und Drossel
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Die Wahl von magnetischem Pulvermaterial, z.B. Fe-, Fe/Ni-Legierungs- oder Ferritpulver, als Drosselkern vereinfacht den konstruktiven Aufbau, da beispielsweise ein Luftspalt in einem hochpermeablen Drosselkern entfallen kann.
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Die strombegrenzende Wirkung der Drossel wird bis zu sehr hohen Primärströmen sichergestellt, insbesondere durch die senkrechte Anordnung der beiden magnetischen Kerne zueinander. Ferner insbesondere durch die parallele Ausrichtung des Drosselkerns zum elektrischen Primärleiter. Eine weitere Verbesserung der Erfindung gegenüber dem negativen Einfluss von sehr großen magnetischen Feldern um den Primärleiter wird durch das Abschirmblech, insbesondere magnetisches Schirmblech, zwischen Primärleiter und Spulenanordnung erreicht.
