DE69916410T2 - Reststromvorrichtung - Google Patents

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Donato Colonna
Silvia Volponi
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H83/00Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/02Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by earth fault currents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10Operating or release mechanisms
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    • H01H71/127Automatic release mechanisms with or without manual release using piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive trip units

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  • Transition And Organic Metals Composition Catalysts For Addition Polymerization (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reststromvorrichtung, sowie z. B. einen Reststrom-Schaltungsunterbrecher, mit verbesserten funktionalen Merkmalen.
  • Im Allgemeinen ist eine Reststromvorrichtung eine Vorrichtung, die geeignet ist, den Stromfluss in einem elektrischen Schaltkreis direkt oder indirekt zu unterbrechen, wenn ein Reststrom auftritt. Ein typisches Beispiel einer Reststromvorrichtung wird gebildet durch einen Reststrom-Schaltungsunterbrecher und im Folgenden wird insbesondere Bezug genommen auf diese spezifische Ausführungsform, ohne hierbei zu beabsichtigen, in irgendeiner Weise das Anwendungsgebiet der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu beschränken. Dokument EP 0 548 731 offenbart eine Vorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1.
  • Es ist bekannt, dass ein Reststrom-Schaltungsunterbrecher ein automatischer Schaltungsunterbrecher für Wechselstromschaltkreise ist, der öffnet, wenn die Vektorsumme der Ströme in den Leitern des Schaltkreises, welche unter normalen Bedingungen Null ist, einen vorherbestimmten Wert überschreitet; das Hauptmerkmal der Schaltungsunterbrecher ist, dass sie extrem kurze Schaltkreisöffnungs- und Verschlusszeiten erreichen.
  • Reststrom-Schaltungsunterbrecher sollen im Allgemeinen metallische Teile, wie z. B. die Gehäuse von elektrischen Hausgeräten und die metallischen Massen des geschützten Bereichs, die mit einem Erdsystem von hinreichendem Widerstand verbunden sind, davor schützen, aufgeladen zu werden; hierdurch wird indirekter Schutz erreicht. Ferner, wenn die Schaltungsunterbrecher hinreichend empfindlich und schnell-schaltend sind, können sie unter bestimmten Bedingungen auch Schutz gegen den Kontakt mit üblicherweise geladenen Teilen bereitstellen, hierdurch direkten Schutz bereitstellend.
  • Ein Reststrom-Schaltungsunterbrecher wird schematisch in 1 gezeigt. Der Schaltungsunterbrecher umfasst einen Sensor 1 zum Erfassen des residualen Fehlerstroms, der im Allgemeinen durch einen magnetischen Kern gebildet wird, in welchen der Nullleiter 2 und die Phase 3 eingehen, wobei der Nullleiter und die Phase mit einer Ladung (nicht gezeigt) verbunden sind, und durch eine Sekundärwicklung 4, über welche eine Spannung erzeugt wird, wenn der Fehlerstrom nicht vorhanden ist. Wenn ein Erdschlussstrom auftritt, wird die über die Sekundärwicklung erzeugte Spannung an einem Aktuator 6 bereitgestellt, mittels einem geeigneten elektronischen Verbindungssystems 5, das zwischen dem Sensor 1 und dem Aktuator 6 angebracht ist. Umgekehrt betätigt der Aktuator einen Auslöse- oder Abkopplungsmechanismus 7, der die Kontakte 8 und 9 des Schaltkreises öffnet und daher die Stromversorgung unterbricht.
  • Einer der Hauptnachteile von konventionellen Reststrom-Schaltungsunterbrechern ist die Tatsache, dass die derzeit benutzten Aktuatoren vom elektromagnetischem Typ sind, typischerweise elektromagnetische Relais vom Endmagnetisierungstyp. Diese Relais sind in der Tat empfindlich für magnetische Felder und dies kann erhebliche Nachteile verursachen: z. B. kann das Vorhandensein eines magnetischen Feldes unerwünschte und unbefugte Betätigung des Aktuators verursachen oder ein externes magnetisches Feld kann die Magnetisierung des elektromagnetischen Relais verändern, folglich die Empfindlichkeit des Reststrom-Schaltkreisunterbrechers ändern und seine Leistungsfähigkeit negativ beeinflussen.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass elektromagnetische Aktuatoren eine mechanisch komplizierte Struktur besitzen, die empfindlich für Stöße und Vibration ist; dies kann unzeitige Unterbrechungen des Schaltkreisunterbrechers verursachen und wirkt sich negativ auf die Gesamtzuverlässigkeit aus. Die Kosten sind auch hoch.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Reststromvorrichtung bereitzustellen, die gegenüber externen Magnetfeldern unempfindlich ist, um unzeitige Unterbrechungen zu vermeiden.
  • Im Rahmen dieses Ziels ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reststromvorrichtung bereitzustellen, die einen Aktuator umfasst, der eine vereinfachte Struktur besitzt und unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen ist, um die Leistungsfähigkeit und Gesamtzuverlässigkeit des Schaltkreisunterbrechers zu verbessern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Reststromvorrichtung bereitzustellen, die hoch zuverlässig ist, relativ einfach herzustellen und zu wettbewerbsfähigen Kosten.
  • Dieses Ziel dieser Aufgaben und andere, die im Folgenden deutlich werden, werden erreicht durch eine Reststromvorrichtung, die einen Aktuator umfasst, der wirkend mit kinematischen Mitteln verbunden ist, die angepasst sind, elektrische Kontakte zu öffnen, in Folge einer Erfassung, durch einen Sensor, eines Erdschlussstroms, wobei der Aktuator ein bistabiles metallisches Element umfasst, welches wirkend mit den kinematischen Mitteln verbunden ist, und an welches mindestens ein piezoelektrisches Element gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element durch ein elektrisches Signal als Folge der Erfassung des Fehlerstroms angelegt wird und eine Bewegung des metallischen Elements von einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu einer zweiten stabilen Gleichgewichtsposition einleitet, wobei das bistabile metallische Element die kinematischen Mittel durch die Bewegung betätigt; wobei die Vorrichtung ferner Rücksetz-Mittel umfasst, die angepasst sind, das bistabile metallische Element zu einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition zurückzubringen, bevor die Kontakte wieder schließen.
  • In dieser Weise, indem ein piezoelektrischer Aktuator benutzt wird, wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung unempfindlich gegenüber externen magnetischen Feldern und ist daher immun gegen unzeitige und unerwünschte Unterbrechungen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden deutlich werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten aber nicht exklusiven Ausführungsformen derselben, die nur im Wege eines nicht beschränkenden Beispiels dargestellt sind, in den beiliegenden Zeichnungen, wobei:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Reststrom-Schaltkreisunterbrechers ist;
  • 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Aktuators ist, der in der Reststromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann;
  • 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Aktuators ist, welche in der Reststromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann;
  • 4 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform des Aktuators ist, der in der Reststromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
  • 5 eine Ansicht eines Details des Aktuators aus 4 ist;
  • 6 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform des Aktuators ist, der in der Reststromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
  • 7 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform des Aktuators ist, der in der Reststromvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann;
  • 8 eine schematische Ansicht einer sechsten und bevorzugten Ausführungsform des Aktuators ist, der wirkend mit Mitteln verbunden ist, welche geeignet sind, den Aktuator zurückzusetzen;
  • 9 ist eine Seitenansicht des Aktuators aus 8, in welchem das bistabile metallische Element reduzierte Querschnitte hat;
  • 10 ist eine ebene Ansicht des Aktuators aus 8, in welchem das bistabile metallische Element dünnere Querschnitte besitzt, die mittels Kerben produziert werden;
  • 11 ist eine Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Rückstell-Mittels des Aktuators, der in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird; und
  • 12 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform der Rückstell-Mittel des Aktuators, der in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
  • Bezug nehmend auf 1, umfasst der Reststrom-Schaltkreisunterbrecher einen Aktuator 6, welcher wirkend mit kinematischen Mitteln 7 verbunden ist, zum Öffnen der Kontakte 8 und 9 des Schaltkreisunterbrechers, nach der Erfassung eines Erdschlussstroms durch einen Sensor 1.
  • Vorteilhafterweise umfasst in der Vorrichtung gemäß der Erfindung der Aktuator 6 ein bistabiles metallisches Element, welches wirkend verbunden ist mit dem kinematischen Mittel 7 und mit welchem mindestens ein piezoelektrisches Element wirkend verbunden ist. Wenn ein Erdschlussstrom auftritt, wird die über die Sekundärwindung 4 des Sensors 1 erzeugte Spannung an dem piezoelektrischen Element bereitgestellt, entweder direkt oder vorzugsweise mittels eines geeigneten elektronischen Kopplungssystems, das zwischen dem Sensor 1 und dem Aktuator 6 angeordnet ist. Das elektrisch aktivierte piezoelektrische Element unterliegt einer Verformung, was zu einer Bewegung des bistabilen metallischen Elements von einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu einer zweiten stabilen Gleichgewichtsposition führt. Im Wege dieser Bewegung überträgt das bistabile metallische Element eine Bewegung zu den kinematischen Mitteln 7, welche die Kontakte öffnen und die Energiezufuhr unterbrechen.
  • In einer ersten Ausführungsform, in 2 gezeigt, umfasst der Aktuator 6 ein bistabiles Element, welches durch eine Metallzunge 11 gebildet wird, in welcher ein erstes Ende mit dem tragenden Körper 20 verbunden ist, z. B. dem Gehäuse des Schaltkreisunterbrechers; geeignete Kompressionsmittel wirken auf ein zweites Ende der Zunge 11, welche gegenüber und wesentlich parallel zu dem ersten Ende ist, um die Zunge in einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition geladen zu halten. Die Kompressionsmittel umfassen, z. B., ein Widerlagerelement 13, welches an dem zweiten Ende der Zunge befestigt ist und eine Ladefeder 12, welche zwischen dem unterstützenden Element 20 und dem Widerlager 13 angebracht ist. Vorteilhafterweise wird mindestens ein piezoelektrisches Element 10 in Kontakt mit dem Widerlagerelement 13 angeordnet; in einer bevorzugten Ausführungsform ist das piezoelektrische Element 10 ein bimorphes Element, d. h., es wird durch zwei gegenseitig parallele Schichten von piezoelektrischem Material gebildet. In dieser Weise, wenn eine elektrische Belastung angewandt wird, verformt sich eine piezoelektrische Elementschicht durch Zusammenziehen, während die andere sich durch Verlängerung verformt. Wie in 2 gezeigt, wird ein Element 30, welches als Elektrode wirkt, zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten angebracht.
  • Im Fall eines Erdschlusses wird das piezoelektrische Element 10 mit der Spannung versorgt, die über die Sekundärwindung 4 des aktuellen Sensors 1 erzeugt wird, entweder direkt oder vorzugsweise mittels des elektronischen Kopplungssystems 5. Die elektrische Stromzufuhr führt zu einer Verformung in den beiden Schichten, die das piezoelektrische Element 10 bilden; dies erlaubt es, die Ladekraft zu reduzieren, welche das metallische Element 11 unterhalb seiner kritischen Schwelle hält, d. h., die Schwelle, jenseits derer das metallische Element von einer ersten stabilen Gleichgewichtskonfiguration, welche in ununterbrochenen Linien gezeigt wird, zu einer zweiten stabilen Gleichgewichtsposition, die in gestrichelten Linien gezeigt wird.
  • Die Bewegung von der ersten Position zu der zweiten Position betätigt ein Betätigungselement 14, z. B. einen Stift, welcher die kinematischen Mittel 7 zum Öffnen der Kontakte des von der Reststromvorrichtung geschützten Schaltkreises betätigen soll.
  • Wie in 3 gezeigt, ist in einer zweiten Ausführungsform des Aktuators, der in der Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird, die bistabile Metallzunge, nun mit dem Bezugszeichen 111 bezeichnet, im Wesentlichen M-förmig. Insbesondere hat die Zunge 111 zwei Endabschnitte, die im Wesentlichen gerade und wechselseitig parallel sind und an einem unterstützenden Element 120 befestigt sind, und einen bogenförmigen zentralen Abschnitt, welcher bei Benutzung die Konfiguration der Zunge 11 aus 1 reproduziert. Auf diese Weise ist die Zunge 111 in einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition angeordnet und macht es überflüssig, eine Feder 12 und ein Widerlagerelement 13 zu benutzen. Der bogenförmige zentrale Abschnitt hat, auf einer seiner Seiten, zwei gegenseitig piezoelektrische Elemente 100, wobei jedes Element durch eine oder mehrere Schichten von piezoelektrischem Material gebildet wird. In diesem Fall, als Konsequenz der Zufuhr der Spannung auf Grund des Fehlerstroms, unterliegen die piezoelektrischen Elemente 100 einer Verformung, was ein Biegungsmoment zu der Metallzunge 111 überträgt, welche von der anfänglichen stabilen Gleichgewichtskonfiguration in die zweite stabile Gleichgewichtsposition schnappt, die in gestrichelten Linien gezeigt ist, und ein Betätigungselement 14 betätigt.
  • Auch ist in diesem Fall möglich, die Schichten des piezoelektrischen Materials in einer wechselseitig bimorphen Konfiguration anzuordnen.
  • 4 ist eine Ansicht einer dritten Ausführungsform des Aktuators 6, in welchem die Zunge, die aus metallischem Material gemacht ist, nunmehr mit dem Bezugszeichen 211 bezeichnet, in einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition gehalten wird, mittels einer Kompressionsfeder 212, die zwischen zwei L-förmigen Elementen eines externen Trägerkörpers 220 angebracht ist.
  • Die piezoelektrischen Elemente werden gebildet, in diesem Fall, durch zwei Paare von Schichten von piezoelektrischem Material, bezeichnet durch die Bezugszeichen 200a und 200b jeweils, die einander zugewandt sind und die Zunge 211 zwischen sich angebracht haben, wie im Detail in 5 gezeigt.
  • 6 stellt eine vierte Ausführungsform des Aktuators 6 dar, der von der Ausführungsform in 4 dadurch sich unterscheidet, dass auf der aus metallischem Material gemachten Zunge, hier mit dem Bezugszeichen 311 bezeichnet, auf der gleichen Seite der Zunge ein erstes piezoelektrisches Element und ein zweites piezoelektrisches Element sich befindet, beide mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet, welche im Abstand zueinander auf der Oberfläche der Zunge angeordnet sind.
  • 7 ist eine Ansicht einer fünften Ausführungsform des Aktuators 6, welche von der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, dadurch sich unterscheidet, dass sie zwei piezoelektrische Elemente 400 aufweist, die auf im Wesentlichen geraden Abschnitten der M-förmigen Zungen 411 angeordnet sind.
  • 8 stellt eine sechste, besonders bevorzugte Ausführungsform des Aktuators 6 dar, der in der Reststromvorrichtung gemäß der Erfindung benutzt wird. In diesem Fall hat die Zunge 511 zwei im Wesentlichen parallele Enden, die befestigt sind, vorzugsweise durch eine ineinander greifende Kopplung, an ein unterstützendes Element 520, z. B. das Gehäuse des Schaltkreisunterbrechers; zwei piezoelektrische Elemente 500 werden an den zwei gegenüberliegenden Seiten eines der parallelen Enden befestigt, in einer wechselseitig bimorphen Konfiguration angeordnet und werden auch mindestens teilweise an dem Träger befestigt. In dieser Weise wird die Zunge in einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition gehalten, die in ununterbrochenen Linien in 8 gezeigt wird; wenn ein Erdschlusszustand auftritt, werden die piezoelektrischen Elemente 500 durch eine Versorgungsspannung angeregt, wie zuvor beschrieben, und in dem sie der Ver formung unterliegen, erzeugen sie ein Biegemoment, was zu der Bewegung der Zunge von der ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu der zweiten stabilen Gleichgewichtsposition führt, gezeigt in gestrichelten Linien in 8. Indem mindestens teilweise die piezoelektrischen Elemente auch an der Unterstützung befestigt werden, tritt in der Praxis eine starre wechselseitige Kopplung der piezoelektrischen Elemente und der Zunge auf, in welcher die piezoelektrischen Elemente sich wie ein Drehpunkt verlaufen und eine optimale Übertragung des Biegemoments nur zu dem nützlichen Teil der freien Zunge erlauben.
  • Die Zunge, indem sie sich von der ersten Gleichgewichtsposition zu der zweiten Gleichgewichtsposition bewegt, betätigt ein Betätigungselement 14, z. B. einen Stift, der das kinematische Mittel 7 zum Öffnen der Kontakte des Schaltkreises betätigen soll, der durch die Reststromvorrichtung geschützt wird.
  • Vorteilhafterweise umfasst, wie in 9 und 10 gezeigt, die Zunge 511 eine oder mehrere funktionale Gelenke 530 in seiner Struktur, welche mittels einer lokalen Reduktion in ihrem Querschnitt erhalten werden. Insbesondere können die Gelenke bereitgestellt werden, entweder mittels von Kerben mit einer geeigneten Form, die durch das Entfernen von Material, wie in 10 gezeigt, erhalten werden, oder durch Reduzieren der Dicke der Zunge, z. B. durch Lamination oder elektroerosive Bearbeitung, wie in 9 gezeigt. Die Gelenke 530 können nahe des Abschnitts der Zunge ausgebildet werden, der mit den piezoelektrischen Elementen 500 gekoppelt ist, nahe dem gegenüberliegenden Ende der Zunge 511, welche starr an den Träger gekoppelt ist, oder in beiden der genannten Abschnitte, und haben eine duale Funktion: nahe dem Ende der Zunge, das nicht mit den piezoelektrischen Elementen 500 verbunden ist, erleichtern sie die optimale Bewegung der Zunge von der ersten Gleichgewichtsposition zu der zweiten; nahe den piezoelektrischen Elementen, erlauben sie stattdessen, die Zungen in den beiden gewählten Gleichgewichtspositionen zu stabilisieren. Ferner erlaubt die gleichzeitige Anwesenheit von Gelenkteilen in beiden Abschnitten ihr wechselseitiges Zusammenwirken in der Ausführung der oben beschriebenen Funktion.
  • Natürlich können die Gelenkteile sowie die Befestigung der Zunge und der piezoelektrischen Elemente in allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen benutzt werden.
  • Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist die Tatsache, dass die zwei Enden der Zunge an dem Träger 520 in zwei Positionen befestigt sind, welche wechselseitig abgestuft sind, im Hinblick auf eine Mittelebene 550 auf der Zunge in der nicht-verformten Konfiguration. Diese Lösung erlaubt, den Energiebetrag zu minimieren, der erforderlich ist, dass die Zunge von der ersten Gleichgewichtsposition in die zweite Gleichgewichtsposition schnappt und erlaubt in einer optimalen Weise die begrenzte Energie, die von dem Fehler erhalten werden kann, zu benutzen.
  • Auch betätigt in diesem Fall die Bewegung der metallischen Zunge 511 einen Stift 14 zum Übertragen von Bewegung und Kraft zu dem kinematischen Mittel 7 zum Öffnen der Kontakte. Vorteilhafterweise umfasst die Reststromvorrichtung gemäß der Erfindung Rücksetz-Mittel, die es erlauben, den Aktuator zurückzusetzen, und daher die Vorrichtung für eine neue Unterbrechung vorzubereiten, bevor die Kontakte erneut geschlossen werden.
  • Die Rücksetz-Mittel können erhalten werden durch Benutzung des Stifts 14, mit dem ein geformter Kopf 15 verbunden ist, wobei der Kopf eine Form hat, die geeignet ist, um das korrekte Zurücksetzen des Aktuators auszuführen. In diesem Fall kann das Zurücksetzen direkt nach Betätigung erreicht werden, nach dem Rücksprung des Stifts, unterstützt durch eine Rückholfeder 16, die z. B. durch einen Hebel zum Wiederherstellen elektrischer Kontinuität gesteuert wird, sowie z. B. den Hebel zum Wiederverschließen des Schaltkreisunterbrechers. Wenn der Schaltkreisunterbrecher öffnet, löst der Hebel die Feder 16 aus, welche ihre Energie an den Stift 14 entweder direkt oder mittels der Zwischenschaltung eines Transmissionsmechanismus, der geeignet für diesen Zweck ist, übermittelt. Als Folge der Bewegung des Stifts 14 koppelt die Form des Kopfes 15 geometrisch an die Oberfläche der Zunge und bewirkt dessen präzise Bewegung in die erste stabile Gleichgewichtsposition. In dieser Position ist der Aktuator bereit für eine neue Unterbrechung.
  • Wie schematisch in 11 gezeigt hat in einer alternativen Ausführungsform das Rücksetz-Mittel für den Aktuator der Stift 14 nur den Zweck der Übertragung von Bewegung und Kraft zu dem kinematischen System zum Öffnen der Kontakte; in diesem Fall wird die Rücksetz-Funktion durch eine Nocke 521 ausgeführt, welche in dem Träger 520 des Aktuators sich dreht. In der Praxis wird, indem die Vorrichtung zurückgesetzt wird, durch Betätigung z. B. des Hebels zum Schließen der Hauptkontakte des Schaltkreisunterbrechers, die Drehbewegung des Hebels an die Nocke 521 übermittelt, z. B. mittels zweier nicht gezeigter Scheiben, eine Scheibe angebracht auf der Achse des Schließhebels, die andere Scheibe angebracht auf der Drehachse der Nocke. Die Nocke 521, indem sie um ihre eigene Achse in der Richtung, die durch den Pfeil 522 angezeigt wird, sich dreht, berührt die Zunge 511, zwingt den Endabschnitt der piezoelektrischen Elemente 500 sich nach unten zu biegen; wobei die Biegung genügt, um den Wert zu überschreiten, der erforderlich ist, um den Betriebszustand zur Auslösung wiederherzustellen. Zur gleichen Zeit bewegt sich der Kopf der Nocke entlang der Zunge, was das Wiederladen mittels der tangentialen Komponente der hierdurch angewandten Schubkraft ermöglicht, ohne den Querschnitt der piezoelektrischen Elemente übermäßig zu belasten und daher ein mögliches Brechen zu verhindern. Das Schnappen der Zunge wird daher erreicht, während die Nocke noch gegen diese drückt, wobei der Endabschnitt der piezoelektrischen Elemente jenseits der Biegung gehalten wird, die für ein korrektes Zurücksetzen erforderlich ist. Sobald das Schnappen zum Zurücksetzen der Zunge aufgetreten ist, bewegt sich die Nocke von dem Kontakt mit der Zunge weg, wobei den piezoelektrischen Elementen erlaubt wird, zu dem Betriebszustand für ein Unterbrechen zurückzukehren. Am Ende der Rücksetz-Operation hat sich die Nocke um 360° gedreht, um für ein weiteres Rücksetzen der Zunge bereit zu sein, und um in einer Position zu sein, welches nicht ein folgendes Schnappen des Aktuators behindert. Diese Rotation kann erreicht werden, durch korrekte Auswahl der Dimensionen des Mechanismus zur Übertragung von Bewegung von dem Schließhebel des Schaltkreisunterbrechers zu der Nocke.
  • Diese Lösung gewährleistet exakte Wiederholbarkeit der Wiederaufladung über die Zeit; ferner ist es mittels einer angemessenen Form des Nockenkopfs möglich, optimale Werte der Kraftkomponenten, die durch die Nocke auf die Zunge wirken, zu erreichen, wobei Stöße auf die piezoelektrischen Elemente vermieden werden, welche den Aktuator beschädigen könnten und seine Betriebsdauer verkürzen.
  • Eine weitere Ausführungsform der Rücksetz-Mittel wird in 12 gezeigt. In diesem Fall bewegt sich während der Öffnung der Hauptkontakte ein Stift 14 in einer Spur 701, welche in der tragenden Struktur 520 gebildet wird und überträgt Bewegungen an die kinematischen Mittel 7 zum Öffnen der Kontakte; zur gleichen Zeit bewegen sich geeignete Führungselemente 702, die mit dem Stift verbunden sind, hinter einer ersten unidirektionalen Feder 710, welche den Stift am Zurückfallen entlang dem gleichen Abschnitt der Spur 701 hindern.
  • Durch Einwirkung auf den Schließhebel der Hauptkontakte wird die Bewegung des Hebels mittels eines geeigneten kinematischen Systems an die Führungselemente 702 übermittelt, welche entlang einer Spur 703 gleiten, bis der Stift in einem Abschnitt platziert ist, welcher nahe den piezoelektrischen Elementen ist. In dieser Position beginnt der Kopf des Stifts gegen die Zunge zu drücken; indem der Rotation des Hebels gefolgt wird, bewegt sich der Stift in der Spur 703 und sein Kopf gleitet gleichzeitig entlang der Zunge. Eine Position wird daher erreicht, in welcher die Konfiguration nicht stabil ist und die Zunge schnappt, wobei sie zu der anfänglichen stabilen Gleichgewichtsposition zurückkehrt. Wenn das Rücksetzen ausgeführt wurde, fährt der Stift fort entlang der Spur 703 zu gleiten und verliert Kontakt mit der Zunge, wobei jede Behinderung während des folgen den Schnappens derselben vermieden wird. Am Ende der Bewegung nimmt der Stift die Betriebsposition zur Auslösung ein, während die Führungselemente 702 hinter einer zweiten unidirektionalen Feder 711 sich bewegen, so dass sie nicht entlang der Spur 703 während der Auslösung zurückkehren können. Die Form der Spuren kann offensichtlich unterschiedlich gemäß spezifischer Anforderungen konfiguriert werden.
  • Die Rücksetz-Mittel zum Zurücksetzen des Aktuators können in einer äquivalenten Weise in allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen benutzt werden.
  • In der Praxis wurde beobachtet, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung die angestrebten Ziele und Aufgaben zur Gänze erreicht, da sie einen Aktuator besitzt, der vollkommen unempfindlich gegenüber externen magnetischen Feldern ist, was es erlaubt, unzeitige Störungen zu vermeiden; ferner ist seine Struktur konstruktiv einfach und erlaubt es, die gesamte Zuverlässigkeit der Vorrichtung erheblich zu erhöhen, was insbesondere erlaubt, eine hohe Wiederholbarkeit der Öffnungs-Unterbrechungen zu haben und ein korrektes und präzises Zurücksetzen der Vorrichtung. Ferner kann die Vorrichtung durch einen Reststrom-Schaltkreisunterbrecher gebildet sein, wie zuvor beschrieben, oder durch einen Reststrom-Block, d. h. einen Block, der im Allgemeinen an einen thermomagnetischen Schaltkreisunterbrecher gekoppelt ist.
  • Aufmerksamkeit sollte auch auf die Tatsache gerichtet werden, dass alle innovativen Funktionen und die erfinderischen Aspekte der Vorrichtung erreicht werden können, indem allgemein kommerziell verfügbare Elemente und Materialien mit extremen niedrigen Kosten benutzt werden.
  • Die so entworfene Vorrichtung ist zahlreichen Modifikationen und Variationen zugänglich, welche alle innerhalb des Geltungsbereichs des erfinderischen Konzepts sind; alle Details können durch andere technische äquivalente Elemente, wie in den Ansprüchen definiert, ersetzt werden.
  • In der Praxis können die verwendeten Materialien, solange sie mit der spezifischen Benutzung kompatibel sind, ebenso wie mit den Dimensionen, gemäß der Anforderung und dem Stand der Technik beliebig sein.

Claims (17)

  1. Reststromvorrichtung, umfassend ein Aktuator (6), welcher wirkend mit kinematischen Mitteln (7) verbunden ist, angepasst, um Kontakte zu öffnen, nach der Erfassung, durch einen Sensor, eines Erdschlussstroms, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein bistabiles metallisches Element (11) umfasst, welches wirkend mit den kinematischen Mitteln verbunden ist und an welches mindestens ein piezoelektrisches Element (10) wirkend gekoppelt ist, wobei das piezoelektrische Element angeregt wird durch ein elektrisches Signal als Folge der Erfassung des Fehlerstroms und zu einer Bewegung des bistabilen metallischen Elements von einer ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu einer zweiten stabilen Gleichgewichtsposition führt, wobei das bistabile metallische Element die kinematischen Mittel betätigt mittels der Bewegung; wobei die Vorrichtung ferner Rücksetz-Mittel (14) umfasst, welche angepasst sind, das bistabile metallische Element in die erste stabile Gleichgewichtsposition zurückzusetzen, bevor die Kontakte sich wieder schließen.
  2. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element eine metallische Zunge umfasst, welche zwei gegenüberliegende Enden besitzt, welche an einer tragenden Struktur befestigt sind, um eine erste stabile Gleichgewichtsposition anzunehmen, wobei zwei piezoelektrische Elemente, die in einer wechselseitig bimorphen Konfiguration angeordnet sind, entsprechend auf den gegenüberliegenden Seiten eines der gegenüberliegenden Enden befestigt sind.
  3. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Enden an der tragenden Struktur in wechselseitig gestuften Positionen im Hinblick auf eine Mittelebene der Zunge in der nicht-verformten Konfiguration befestigt sind.
  4. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element eine metallische Zunge umfasst, welche ein erstes Ende besitzt, welches an einer tragenden Struktur befestigt ist und ein zweites Ende, welches dem ersten Ende gegenüberliegt und auf welches Kompressionsmittel wirken, wobei die Kompressionsmittel geeignet sind, eine axiale Belastung auf die Zunge auszuüben und sie in der ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu halten.
  5. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsmittel ein Widerlagerelement umfassen, welches an dem zweiten Ende der Zunge befestigt ist, und auf welches eine Ladefeder wirkt, wobei zwei piezoelektrische Elemente, die in einer wechselseitig bimorphen Konfiguration angeordnet sind, ferner auf das Widerlagerelement wirken.
  6. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element eine metallische Zunge umfasst, welche zwei gegenüberliegende Enden besitzt, welche an einer tragenden Struktur befestigt sind, welche zwei Teile umfasst, die wechselseitig, im Wege der Zwischenschaltung einer Ladefeder, verbunden sind, wobei die Ladefeder geeignet ist, eine axiale Belastung auf die metallische Zunge auszuüben, um diese in der ersten stabilen Gleichgewichtsposition zu halten.
  7. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes piezoelektrisches Element und ein zweites piezoelektrisches E lement auf einer gleichen Fläche der metallischen Zunge angeordnet sind und wechselseitig voneinander Abstand haben.
  8. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Paare von piezoelektrischen Elementen auf der metallischen Zunge befestigt sind, wobei jedes der Paare durch mindestens zwei wechselseitig sich zugewandte und wechselseitig parallele Zungen gebildet wird, welche aus piezoelektrischem Material gemacht sind, wobei die metallische Zunge zwischen diesen gelagert ist.
  9. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element eine metallische Zunge umfasst, welche im Wesentlichen M-förmig ist und zwei im Wesentlichen gerade und wechselseitig parallele Enden besitzt, welche auf einer tragenden Struktur befestigt sind, und einen gekrümmten zentralen Bereich, auf einer Seite von welchen zwei piezoelektrische Elemente befestigt sind, wobei jedes piezoelektrische Element durch zwei oder mehr Zungen, die aus piezoelektrischem Material gemacht sind, gebildet wird.
  10. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element eine im Wesentlichen M-förmige metallische Zunge umfasst, welche einen zentralen gekrümmten Bereich und zwei im Wesentlichen gerade und wechselseitig parallele Enden besitzt, welche auf einer tragenden Struktur befestigt sind, wobei mindestens ein piezoelektrisches Element jedem der geraden Enden zugeordnet ist.
  11. Reststromvorrichtung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Gelenke auf der Oberfläche des bistabilen metallischen Elements vorgesehen sind.
  12. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke geformte Kerben umfassen, welche auf der Oberfläche der bistabilen metallischen Zunge vorgesehen sind.
  13. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bistabile metallische Element einen Querschnitt besitzt, dessen Dicke entlang seiner longitudinalen Ausdehnung variiert, um die Gelenke bereitzustellen.
  14. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücksetz-Mittel einen Stift umfassen, welcher wirkend mit einer Rückholfeder verbunden ist, wobei der Stift einen geformten Kopf besitzt, welcher geeignet ist, geometrisch mit der Oberfläche des bistabilen metallischen Elements zusammenzuwirken.
  15. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücksetz-Mittel eine Nocke umfassen, welche drehbar auf einer tragenden Struktur befestigt ist und mit einem Kontaktschließhebel wirkend verbunden ist.
  16. Reststromvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rücksetz-Mittel einen Stift umfassen, welcher in Spuren gleiten kann, die in einem tragenden Element des Aktuators gebildet sind, und einen geformten Kopf besitzt, welcher geeignet ist, mit der Oberfläche des bistabilen metallischen Elements zusammenzuwirken, wobei die Spuren unidirektionale Federn zum Führen des Stifts während der Neupositionierung des bistabilen metallischen Elements in der ersten stabilen Gleichgewichtsposition enthalten.
  17. Reststromvorrichtung gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Reststrom-Schaltkreisunterbrecher oder ein Reststrom-Block ist.
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