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Fehlerstron-Abschalteinrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstrom-Abschalteinrichtung
für elektrische Netzgeräte ohne Netztrennung, insbesondere fiir Schaltetzgeräte.
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Bei Gehäuseschluß an elektrischen Geräten mit direkt, d.h. ohne galvanische
Trennung, an der Netzwechselspannung betriebenen elektronischen Schaltungen können
verschiebene Fehlerstromarten wie reiner Wechselstrom, pulsierender Gleichstrom
oder reiner Gleichstrom auftreten. Es sind bereits Fehlerstromschutzschalter bekannt,
die jedoch lediglich Fehlerwechselströme erfassen.
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Dadurch entsteht ein erhebliches Sicherheitsrisiko beim Betrieb der
Netzgeräte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde elne allstromempfindliche
Fehlerstrom-Abschalteinrichtung zu schaffen, die auch bei einer eingangsseitig vorgesehenen
Brückengleichrichter- oder Spannungsverdopplerschaltung der Netzgeräte wirksam ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einen
Ringkern für jede Anschlußleitung des Netzgerätes
eine Stromwicklung
für gleiche magnetische Flußrichtung in Verbindung mit einer an eine konstante rechteckförmige
Hilfswechselspannung angeschlossene Sättigungsdrosselwicklung angeordnet ist, die
mit einem Serienkondensator einen nichtlinearen Schwingkreis bildet und daß im Schwingkreis
Schaltmittel zur Erfassung sprunghafter Änderungen des Schwingkreisstromes vorgesehen
sind, die einen niederohmigen Kurzschluß zwischen den Anschlußleitungen zur Unterbrechung
der Anschlußleitungen mittels einer Gerätesicherung auslösen.
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Infolge der Wirkung des Ringkernes mit den beiden Stromwicklungen
als Summenstromwandler wird durch die erfindungsgemäße Schaltung eine hochempfindliche
Abschaltsteuerung geschaffen. Die durch einen Fehlerstrom verursachte Anderung der
Vormagnetisierung im Ringkern bewirkt sprunghafte Änderungen des Schwingkreisstromes.
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Unter Verwendung von nur einem Ringkern lassen sich mit dieser Einrichtung
alle vorkommenden Fehirstromarten beherrschen.
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Aufgrund der in der Schaltung benötigten Hilfsspannung kann es zweckmäßig
sein, die allstromempfindliche Abschalteinrichtung als geräteseitigen Abschaltzusatz
zu einem bereits allgemein verwendeten Fehlerstrom-Schutzschalter vorzusehen. Die
von den bekannten Fehlerstrom-Schutzschaltern erfassbaren Fehlerströme kommen bei
Gehäuseschluß in Schaltnetzgeräten nur zustande, wenn die Netzwechselspannung zweipolig
am Geräteeingang anliegt, d.h.
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wenn keine Nulleiterunterbrechung vorliegt. Aus diesem Grunde kann
die Verwendung einer Hilfsspannung in der erfindungsgemäßen Schaltung kein zusätzliches
Sicherheitsrisiko darstellen. Eine Unterbrechung des Nulleiters hätte zwar den Ausfall
der Hilfsspannung im Gerät zur Folge. Der dann auftretende Fehlerstrom würde jedoch
bei nicht zu großer Vorlast im Netzteil des Netzgerätes einen genügend großen Wechselstromanteil
aufweisen, der die Auslösung eines z.B. in der Hausinstallation vorgesehenen Fehlerstrom-Schutzschalters
zur Folge hätte.
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Um den Schaltungsaufwand für eine als Abschaltzusatz verwendete allstromempfindliche
Fehlerstrom-Abschalteinrichtung gering zu halten, kann eine am Geräteeingang erforderliche
Funkentstör-Zweileiterdrossel gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
gleichzeitig als Summenstromwandler verwendet werden, der dann nur noch eine Sättigungsdrosselwicklung
zugeordnet zu werden brauchte. Diese Maßnahme würde den eigentlichen Bauteileaufwand
für den Abschaltzusatz auf die Komponenten für die Auslöseschaltung reduzieren.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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In Fig. 1 ist eine als Gleichrichtervollbrückenschaltung ausgebildete
Eingangssschaltung eines Netzgerätes und die bei Gehäuseschluß wegen der fehlenden
Netztrennung möglichen Fehlerströme dargestellt.
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Die Fig. 2 zeigt eine als Spannungsverdopplerschaltung ausgebildete
Eingangsschaltung eines Netzgeräts und die hier bei Gehäuseschluß möglichen Fehlerströme.
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In Fig. 3 ist ein AusfUhrungsbeispiel einer als stromempfindlichen
Fehlerstrom-Abschalteinrichtung dargestellt.
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In den Fig. 1 und 2 sind die mit UN bezeichnete Eingangswechselspannung,
zwei Netzanschlußleitungen R, Mp, mit A,B bezeichnete Stellen eines Gehäuseschlusses
und der in einem solchen Falle fließende Fehlerstrom iF einheitlich bezeichnet.
In den zugeordneten Spannungsdagrammen der beiden Figuren sind jeweils unter a die
Netzwechselspannung UN, unter b die entstehenden Fehlerströme iFA und iFB im Falle
eines Gehäuseschlusses an einer Stelle A bzw. B, unter c die bei Vertauschung der
Leitungen R (Phase) und M (Nulleiter) gegenüber der in der Figur p dargestellten
Anordnung und unter d die bei Unterbrechung des Nulle.ters Mp entstehenden Fehlerströme
dargestellt. Die
jeweils im Spannungsdaigramm d stark verzerrt dargestellten
Halbwellen hängen in ihrer Größe von der Belastung R der eingangsseitigen ######richterschaltung
ab.
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Unmittelbar am Geräteeingang ist ein mit drei Wicklungen N1, N2, N3
bewickelter Ringkernübertrager W vorgesehen, der im Falle eines auftretenden Fehlerstromes
ein Abschaltkriterium liefern soll. Die mit gleich großer Windungszahl bemessenen
Wicklungen N2 und N3, die in je eine Zuleitung R bzw. Mp eingeschaltet sind, bilden
wirkungsmäßig einen Summenstromwandler. Die dritte Wicklung N1 des Ringkernes ist
als Sättigungsdrosselwicklung ausgebildet, die eine Induktivität L darstellt und
mit einem Kondensator C einen Reihenschwingkreis bildet. infolge der Eisensättigung
weist der Schwingkreis ein nichtlineares Verhalten auf. Durch die Nichtlinearität
bedingte Kipperscheinungen, die bei Änderung der Schwingkreisspannung oder der Vormagnetisierung
zur sprunghaften Änderung des Schwingkreisstromes führen, werden gemäß der Erfindung
für die Gewinnung eines Abschaltkriteriums ausgenutzt. Um bei der Fehlerstromerfassung
eine klare Abhängigkeit zu erhalten, wird die Schwingkreisspannung durch eine Zererdiodenstabilisierung
mit zwei Zenerdioden ZD1 und ZD2 konstant gehalten und die Änderung der 'Jormagnetisierung
durch einen über die Wicklungen N2, N3 fließenden Fehlerstrom ausgenutzt.
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Die nahezu rechteckförmige, konstante Schwingkreisspannung wird über
einen Vorwiderstand R1 und die gegeneinander geschalteten Zenerdioden ZD1, ZD2 aus
der Netzspannung UN abgeleitet. An der Hilfswechselspannung liegt in Reihe mit dem
LC-Reihenschwingkreis noch die Erregerwicklung eines monostabilen neutralen Relais
Al, mit dessen Hilfe die Änderungen des Schwingkreisstromes ausgewertet werden.
Je nach der Dimensionierung des LC-Serienschwingkreises treten stark voneinander
abweichende Effekte auf.
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Bei einer geeigneten Bemessung der Kapazität des Kondensators C entstehen
stark ausgeprägte Kipperscheinungen, die eine sprung-
hafte Änderung
des Stromes in der Sättigungsdrossel L bewirken.
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Zusätzlich ergibt sich eine von der Dimensionierung abhängige Hysterese,
die auch nach Wegfall der Fehlerstromerregung die Kipperscheinungen aufrechterhalten
kann. Dieser Effekt eignet sich in besonderem Maße für die Fehlerstromerfassung,
da sich sehr hohe Empfindlichkeiten erreichen lassen und das sprunghafte Ansteigen
des Schwingkreisstromes zur Ansteuerung des Relais A1 gut geeignet st. Bei schleichendem
Fehlerstromanstieg wird außerdem ein stark störendes Relaisbrummen vermieden, das
sich andernfalls durch eine stetige Relais-Erregerstromerhöhung einstellen würde.
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Die eigentliche Abschalteinrichtung besteht im wesentlichen aus einem
Kurzschlußthyristor Th, der in Reihe mit einem Schutzwiderstand R3 die Leitungen
R und Mp am Eingang einer Gleichrichterschaltung Gl verbindet. Bei ansprechender
Fehlerstrom-Auswerteschaltung wird der Kurzschlußthyristor über einen Kontakt a1
des Relais Al aus einer Hilfsspannung Uh gezündet, wenn das Relais A1 im Kippschwingungskreis
LC anspricht. Der gezündete Kurzschlußthyristor Th löst einen zwischen der Fehlerstrom-Auswerteschaltung
und der Gleichrichterschaltung Gl angeordneten zweipoligen Automatenschalter S aus
und unterbricht damit die Zuführung der Netzeingangsspannung. Damit ein während
der negativen Halbwelle der Netzwechselspannung erfolgender Zündbefehl für den Thyristor
nicht verlorengeht, ist im Steuerkreis des Kurzschlußthyristors ein Relais Al vorgesehen,das
in einer Selbsthalteschaltung mittels eines dem Relaiskontakt a1 parallelgeschalteten
Relaiskontaktes a2 den Zündbefehl speichert bis zum erneuten Anliegen einer positiven
Spannungshalbwelle.
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Da Einschalvorgänge an Eisenkerndrosseln bzw. an Kippschwingungskreisen
je nach Renanenzlage und Einschaltzeitpunkt, Einschaltstromstösse verursachen können,
deren Größe ein Vielfaches des eingeschwungenen Amplitudenwertes betragen, sind
Vorkehrungen erforderlich, die bereits ein Auslösen der Abschaltvorrichtung
beim
Einschalten verhindern. Dazu wird die Fehlerstrom-Auswerteeinrichtung vor den Automatenschalter
S direkt an den Geräteeingang verlegt. Wird das Netzgerät vor der Schalterbetätigung,
z.B. über einen Steckdosenanschluß, an Spannung gelegt, so kann die eigentliche
Auslöseeinrichtung nicht ansprechen. Zusätzlich kann eine Unterbindung von Kipperscheinungen
im Schwingungskreis durch Begrenzung des Hilfsstromes iH über den Widerstand R1
zweckmäßig sein. Erst nach Betätigung des Automatenschalters S soll durch einen
über ein Relais A3 geschalteten Kontakt a3 die für den Kippeffekt erforderliche
Größe des Hilfsstromes erreicht werden können.
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In der beschriebenen Schaltung übernimmt der Ringkernübertrager W
mit den Stromwicklungen N2, N3 gleichzeitig die Funktion einer Zweileiterdrossel
zur Funkentstörung.
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5 Patentansprüche 3 Figuren
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