NL8602442A - Reststroomonderbrekingsschakelaar. - Google Patents

Description

-1- ^ 4 ï i \ .

RESTSTROOMONDERBREKINGSSCHAKELAAR

De uitvinding betreft reststroomonderbrekingsschakelaars, die ook bekend staan als aardlekonderbrekingsschakelaars .

Reststroomonderbrekingsschakelaars bevatten meestal 05 een spoelschakelaar voor het ontkoppelen van een belasting van een electrische voeding wanneer een fout, dat wil zeggen een aardlektoestand, waargenomen wordt. Het voordeel van een spoelschakelaar, is dat deze een volledige electrische isolatie van de belasting ten opzichte van de voeding tot 10 stand brengt ten gevolge van de spleet die ontstaat tussen de schakelcontacten, hetgeen een grotere veiligheid waarborgt.

De minimumtijd die nodig is voor mechanisch bediende contacten om open te gaan is ongeveer 0,04 seconde. Alhoewel de bedieningstijd kort is, kan in deze tijdsperiode een 15 aanzienlijke hoeveelheid electrische energie vloeien. Afhankelijk van de stroom die vloeit, is het gevaar voor de mens van een schok bepaald door de tijd die nodig is om het vermogen te isoleren, en indien het zou gebeuren dat de spanningsgeleider direct kort gesloten wordt naar aarde, kan 20 voldoende stroom lopen om een 13 ampère zekering op te blazen, voordat de schakelcontacten geopend worden.

De onderhavige uitvinding biedt een oplossing voor dit probleem en in overeenstemming met de uitvinding wordt een reststroomonderbrekingsschakelaar verschaft omvattende 25 een paar geleiders voor het verbinden van een last aan een electrische voeding, middelen voor het waarnemen wanneer de stromen die in de geleiders vloeien, verschillen met een vooraf vastgesteld bedrag, een mechanische schakelaar met contacten die apart kunnen worden geopend om de stroom die 30 naar de last vloeit te onderbreken, middelen die met de waar-neemmiddelen gekoppeld zijn voor het bekrachtigen van een spoel om die schakelcontacten te openen wanneer dat vooraf bèpaalde verschil in stroom waargenomen wordt, en een halfgeleider schakelelement met een besturingsingang die met de 35 waarneemmiddelen gekoppeld is om de electrische stroom die vloeit naar de last sneller te onderbreken dan de tijd die 8602442 ----* * £ < -2- nodig is om de spoel de schakelcontacten te laten openen, wanneer dat vooraf vastgestelde verschil in stroom waargenomen wordt.

Het halfgeleider schakelelement kan een thyristor 05 omvatten en bij voorkeur is dit een triac. Indien de wissel-stroomvoeding een lijnfrequentie van 50 hertz heeft, zal de triac werkzaam zijn om de stroom af te schakelen binnen 0.01 seconde, dat wil zeggen niet meer dan een halve cyclus van de voeding. Deze tijd is aanzienlijk kleiner dan het minimum van 10 0,04 seconde die nodig is om de schakelcontacten te openen.

Een volledig begrip van de uitvinding zal worden verkregen uit de volgende gedetailleerde beschrijving, waarin verwezen wordt naar de bijgaande tekening, die een schematische weergave is van een reststroomonderbrekingsschakelaar 15 volgens de uitvinding.

De reststroomonderbrekingsschakelaar omvat een waarneemelement omvattende een magnetische kern 1 in de vorm van een torus afgezien van één enkele smalle luchtspleet. In de luchtspleet bevindt zich bij voorkeur met een glijpassing 20 of met een kleine speling tussen de tegenover elkander liggende poolstukken van de kern, een lineair Hall Effect geïntegreerd schakelingselement 2. Het element 2 heeft een zodanige grootte, dat vrijwel de gehele magnetische flux die vloeit tussen de poolstukken door het element overgedragen 25 wordt. Twee geleidingswikkelingen 3,*4 zijn gewikkeld met een gelijk aantal wikkelingen aan weerszijden van de kern 1 en tijdens gebruik zijn de geleiders zodanig verbonden, dat de stromen die ze voeren tegengesteld gerichte magnetische fluxen induceren door de gesloten magnetische kring die wordt 30 bepaald door de kern 1 en wordt gesneden door het Hall element 2. Wanneer de stromen die vloeien in de respectievelijke geleiders dus gelijk zijn, is er geen resulterende flux in de magnetische kring en wordt door het Hall element 2 geen uitgangssignaal gevormd. Indien de stromen die gevoerd worden 35 door de wikkelingen verschillen, wordt echter een magnetische flux in de kern 1 geïnduceerd en deze zal een sterkte hebben die afhankelijk is van het verschil tussen de electrische stromen, waarna het Hall element 2 een signaal zal uitzenden, 8602442 5 % -3- hetwelk evenredig is met de resulterende magnetische flux. Om de componenten van het waarneemorgaan in de juiste stand te houden, kunnen deze ingebed worden in een passend inkapsel-materiaal en kan het met het oog op de magnetische afscher-05 ming ingebed worden binnen een laag ferrietmateriaal.

Het waarneemelement is opgenomen in de electrische schakeling van een reststroomonderbrekingsschakelaar, die de toevoer van electrisch vermogen naar een last of gebruiksap-paraat 10 bestuurt (getekend in onderbroken lijnen) vanuit 10 een electrische voedingsbron, bijvoorbeeld het distributienet. De onderbrekingsschakelaar bevat een schakelelement gevormd door een omslagspoel 11 en een dubbele poolschakelaar met twee stellen contacten RC1 en RC2, door middel waarvan de geleiders 3, 4 respectievelijk zijn verbonden met de eindaan-15 sluitingen 12, 13 voor verbinding met de spanningszijde en de nulzijde van de voeding. De schakelaar kan met de hand de contacten RC1, RC2 openen en sluiten en de spoel dient om de schakelcontacten om te gooien van de gesloten stand naar de open stand wanneer de spoel bekrachtigd is. De belasting 10 20 is geplaatst tussen de uitgangsklemmen 14, 15 aan de andere einden van de leidingen 3, 4. De uitgangsklem van het Hall Effect element 2 is verbonden met de ingang van een signaal-verwerkingseenheid 16, die in detail nog in het volgende beschreven wordt.

25 Om een gelijksspanningsvoeding te leveren voor het

Hall Effect element en de signaalverwerkingseenheid 16, zijn een weerstand 17 en een gelijkrichtbrug 18 in serie geplaatst over de ingangsvoedingsklemmen 12, 13 via de leidingen 19, 20. De gelijkspanning aan de uitgang van de brug 18 wordt ge-30 leverd aan een paar gelijkspanningsleidingen 21, 22 en is gestabiliseerd op bijvoorbeeld 5 volt door een Zener diode 23 en een condensator 24 die parallel tussen de lijnen 21, 22 staan. De gestabiliseerde gelijkspanning wordt geleverd aan het Hall Effect element 2 en aan de signaalverwerkingseenheid 35 (door niet getekende verbindingen) via de lijnen 21, 22.

De signaalverwerkingseenheid bevat een wissel-stroomkoppeling 25, een wisselstroomversterker 26, een precisie gelijkrichter 28, een comparator 29 en een optische iso- 8502442

V

-4- lator 30# welke in serie staan. De wisselstroomkoppeling 25, bij voorkeur een eenvoudige condensator# filtert elke gelijk-spanningcomponent uit het signaal dat uitgezonden wordt door het Hall Effect, element 2 voordat het signaal overgedragen 05 wordt naar de ingangszijde van de wisselstroomversterker 26. Het versterkte signaal uit de uitgangsversterker 26 wordt geleverd aan de ingang van de precisie gelijkrichter 28, die deze omzet in een gelijkspanningssignaal. Het signaal dat uitgezonden wordt vanaf de uitgang van de gelijkrichter is 10 dus evenredig met het wisselspanningssignaal uit het Hall element 2 en derhalve met de flux in de magnetische kern 1 en daardoor met het verschil in de electrische stromen die vloeien in de toevoer- en retourleidingen 3, 4. De comparator 29 vergelijkt het uitgangssignaal uit de gelijkrichter met 15 een referentiespanning die bij voorkeur wordt verkregen door middel van een spanningsdeler over de gelijkspanningslijnen 21# 22. Zoals getekend is, heeft de spanningsdeler de vorm van een potentiometer 31 waarvan de loper verbonden is met de comparator# maar er zal in plaats daarvan ook een paar weer-20 standen aanwezig kunnen zijn. De referentiespanning wordt op een zodanig niveau# bijvoorbeeld ongeveer 3 volt# ingesteld, dat deze normaal groter is dan het signaal uit de gelijkrichter 28, maar het laatstgenoemde signaal overschrijdt de referentiespanning wanneer een vooraf bepaalde onbalans optreedt 25 tussen de stromen in de leidingen 3# 4. De comparator vergelijkt de beide ingangssignalen die daaraan toegevoerd worden en zendt een uitgangssignaal alleen dan uit wanneer het signaal uit de gelijkrichter 28 groter dan de referentiespanning is. Het uitgangssignaal uit de comparator 29 wordt toegevoerd 30 aan de ingang van een discriminator 33.

De discriminator 33 heeft twee uitgangen 34, 35# waarvan de eerste via een weerstand 50 gekoppeld is met de besturingsingang van een triac 51# die in serie staat met de bekrachtigingsspoel van de solenoide 11 over de hoofdstroom-35 leidingen 3# 4. De tweede uitgang van de discriminator 33 wordt via een weerstand 53 geleverd aan de besturingsingang van een triac 54 die direct gekoppeld is met de spannings voerende lijn 3.

8602442 4 -5-

De signalen uit de beide uitgangen vein de discriminator 33 zijn 180® uit fase. Met andere woorden, er is geen signaal op de eerste uitgang 34, wanneer een signaal uitgezonden wordt vanuit een tweede uitgang 35 en omgekeerd. Onder 05 normale omstandigheden, dat wil zeggen wanneer dezelfde stroom in de leidingen 3 en 4 vloeit, is er geen signaal uit de comparator 29 en vormt de discriminator 33 een signaal op de tweede uitgang 35, zodat de triac 54 in een geleidende toestand blijft voor de voedingsstroom naar de last 10. Er is 10 geen signaal op de eerste uitgang 34, zodat de triac 51 niet geleidend is en de spoel 11 niet is bekrachtigd. Onder deze normale toestand van de spoel 11 kunnen de contacten RC1, RC2 worden gesloten om de last 10 te koppelen met de voeding. De triac 51 kan de spoel bekrachtigen om de contacten RC1, RC2 15 te openen en daardoor de last 10 van de voeding te ontkoppelen.

Als reactie op een fout of storing, bijvoorbeeld een verschil in stroomniveau1s van 10mA in de leidingen 3, 4, neemt het signaal uit het Hall element 2 tot een zodanig ni-20 veau toe, dat het spanningssignaal uit de gelijkrichter 28 de referentiespanning overschrijdt en een uitgangssignaal geleverd wordt door de comparator 29. Dienovereenkomstig wordt de tweede uitgang 35 van de discriminator 33 geblokkeerd en wordt gelijktijdig een signaal op de eerste uitgang 34 uitge-25 zonden. De triac 54 reageert door niet-geleidend te worden teneinde de hoofdstroom naar de last 10 te onderbreken, welke onderbreking snel plaats vindt binnen een halve cyclus van de wisselspanning, dat wil zeggen 0,01 seconde voor een 50 hertz voeding. De stroom die loopt naar de last 10 wordt dus afge-30 sneden voordat de contacten RC1, RC2 die worden bediend door de spoel 11 bij het ontsteken van de triac 51, geopend zijn om de verbinding tussen de last 10 en de voeding te onderbreken, hetgeen een minimum van 0,04 seconde vergt om de scha-kelcontacten te openen.

35 Wanneer de contacten RC1, RC2 zijn geopend, gaan de uitgangen van de discriminator 33 terug naar de normale toestand en aangenomen dat de storing die verantwoordelijk voor de aardlekstroom is, is hersteld, kan de dubbele poolschake- 8602442 % -6- laar met de hand worden herzet om de contacten te sluiten en de electrische stroomtakken tussen de last en de voeding te herstellen.

De snellere onderbreking van de stroom die verkre-05 gen wordt door het aanbrengen van de triac 54, heeft de volgende voordelen; a) er zal een veel kleinere schok zijn indien iemand onderworpen wordt aan de aardfoutlekstroom vanwege de kortere tijd die nodig is om isolatie te verkrijgen.

10 b) er zal veel minder electrisch vermogen lopen en in het bijzonder zelfs indien de spanningslijn kort gesloten wordt naar aarde zal het vermogen niet voldoende zijn om een 13 ampère zekering op te blazen, en; c) een reststroomonderbrekingsschakelaar die kan 15 reageren op een aardlekstroom van bijvoorbeeld 10mA zal de voeding afsnijden voor een volgende onderbrekingsschakelaar stroomopwaarts en bedoeld om te reageren op een hogere lekstroom bijvoorbeeld 30mA werkzaam zal worden.

Alhoewel de uitvinding beschreven is aan de hand 20 van een triac om een snelle stroomonderbreking te waarborgen, zal het duidelijk zijn dat alternatieve thyristor elementen gebruikt zouden kunnen worden, bijvoorbeeld twee SCR's die symmetrisch geschakeld kunnen worden.

De wisselstroomkoppeling 25 aan de ingang van de 25 signaalverwerkingseenheid fungeert als beveiligingselement, waardoor de onderbrekingsschakelaar niet overbrugd kan worden door het plaatsen van een permanente magneet in de buurt van de voeler.

Om de onderbrekingsschakelaar te testen kan een 30 extra belasting 36 in serie geschakeld worden met een druk-knopschakelaar 38 tussen de leidingen 3, 4 teneinde het van een wikkeling voorziene deel van een leiding 3 te overbruggen. Bij het indrukken van de knop voor het sluiten van de schakelaar 38 zullen verschillende stroomniveau's ontstaan in 35 de gewikkelde delen van de leidingen 3, 4 en aangenomen dat de onderbrekingsschakelaar goed functioneert, zal de spoel 11 de contacten RC1, RC2 openen. Na het loslaten van de knop voor het opnieuw doen sluiten van de schakelaar 38, kan de 8602442 -7- dubbele poolschakelaar met de hand worden bediend om de contacten RC1# RC2 opnieuw te sluiten en dus de testprocedure te voltooien.

8 6 0 2 4 4 2

Claims (8)

1. Reststroomonderbrekingsschakelaar omvattende een paar lijnen (3,4) voor het verbinden van een last (10) met een electrische voeding, middelen (1,2,16) om waar te nemen wanneer de stromen die vloeien in de leidingen ten opzichte 05 van elkaar met een vooraf bepaald bedrag verschillen, een mechanische schakelaar met contacten (RC1,RC2) die apart geopend kunnen worden om de stroom naar de last te onderbreken, en middelen (51) die zijn gekoppeld met de waarneemmid- .. delen voor het bekrachtigen van een spoel (11) voor het ope- 10 nen van de schakelcontacten wanneer het vooraf bepaalde verschil in stromen waargenomen wordt, met het kenmerk dat een halfgeleider schakelelement (54) een besturingsingang heeft die is gekoppeld met de waarneemmiddelen (1,2,16) en de electrische stroom naar de last (10) sneller kan onderbreken dan 15 de tijd die nodig is om de spoel 11 de schakelcontacten (RC1,RC2) te doen openen, wanneer het voorafbepaalde verschil in stromen waargenomen wordt.

2. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk dat het halfgeleider schakelelement 20 een triac (54) omvat.

3. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens conclusie 1 en 2, waarin de middelen voor het bekrachtigen van de spoel een halfgeleider element (54), bij voorkeur een triac, omvatten, welke in serie staat met de bekrachtigings- 25 wikkeling van de spoel tussen de beide leidingen met het kenmerk dat de waarneemmiddelen twee uitgangen (34,35) hebben die respectievelijk zijn verbonden met de besturingsingangen van de halfgeleider elementen (51,54).

4. Reststrooraonderbrekingsschakelaar volgens con- 30 clusie 3, waarin de waarneemmiddelen signaal uitzendende middelen (29) omvatten voor het vormen van een uitgangssignaal, wanneer het vooraf bepaalde verschil in stroomsterkte waargenomen wordt met het kenmerk dat de discriminator (33) met een ingang verbonden is met de signaal uitzendende middelen (29) 35 en welke de uitgangen (34,35) vormt, waarbij de signalen aan de beide uitgangen 180° uit fase zijn en waarbij de discrimi- 8602442 -9- nator die signalen omkeert als reactie op een uitgangssignaal dat door de signaal uitzendende middelen uitgezonden wordt.

5. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens één van de voorgaande conclusies, waarin de waarneemmiddelen een 05 waarneemelement omvatten voor het vormen van een signaal in afhankelijkheid van het verschil in stromen in de leidingen gekenmerkt door signaalverwerkende middelen (16) met middelen (26,28) voor het leveren van een spanningssignaal evenredig met het signaal uit het waarneemelement en middelen (29) voor 10 het vergelijken van het spanningssignaal met een constant re-ferentiesignaal en voor het uitzenden van het uitgangssignaal wanneer het spanningssignaal het constante signaal overschrijdt.

6. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens con— 15 clusie 5, waaarin de middelen (17,18) geplaatst zijn tussen de leidingen (3,4) voor het vormen van een gestabiliseerde gelijkspanningsvoeding voor het waarneemelement en de sig-naalverwerkingsmiddelen met het kenmerk dat de referentie-spanning verkregen wordt uit een spanningsdeler (31) die over 20 de gelijkspannningsvoeding (21,22) staat.

7. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens eên van de voorgaande conclusies met het kenmerk dat de waarneem-middeien een waarneemelement omvatten voorzien van een kern (1), welke een nagenoeg gesloten magnetisch circuit met een 25 luchtspleet vormt, en een Hall Effect element (2) in die luchtspleet, waarbij de beide leidingen (3,4) gewikkelde delen hebben die rond de kern liggen.

8. Reststroomonderbrekingsschakelaar volgens conclusie 7 met het kenmerk dat een wisselspanningskoppeling 30 (25) aanwezig is om elke gelijkspanningscomponent in het uitgangssignaal uit het Hall Effect element te verwijderen. 8602442