PL206414B1 - Sposób i układ zasilania wyłącznika elektrycznego - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 206414 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 375739 (51) Int.Cl.

(22) Data zgłoszenia: 23.09.2003 H01H 47/22 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

23.09.2003, PCT/FI03/000692 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

01.04.2004, WO04/027807 (54) Sposób i układ zasilania wyłącznika elektrycznego

(30) Pierwszeństwo: 23.09.2002, FI, 20021692	(73) Uprawniony z patentu: SCHNEIDER ELECTRIC INDUSTRIES SAS, Rueil Malmaison, FR
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
12.12.2005 BUP 25/05	OLLI SALONEN, Espoo, FI MARTTI SAIRANEN, Vantaa, FI
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.08.2010 WUP 08/10	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Izabela Ludwicka

PL 206 414 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ zasilania wyłącznika elektrycznego.

Wynalazek dotyczy wyłącznika elektromechanicznego, na przykład przekaźnikowego, wyłącznika półprzewodnikowego i/lub ich kombinacji, na przykład wyłącznika przekaźnikowego połączonego równolegle z wyłącznikiem półprzewodnikowym, na przykład triakiem. Tego rodzaju wyłączniki elektryczne są stosowane do włączania i wyłączania urządzeń elektrycznych, zwłaszcza opraw oświetleniowych, dołączanych do źródła zasilania prądem przemiennym, na przykład sieci prądu przemiennego i są sterowane na przykład przez układ czasowy, wyłącznik zmierzchowy lub detektor ruchu. Wyłączniki elektromechaniczne, jak na przykład wyłączniki przekaźnikowe, nadają się do stosowania z obciążeniami wszelkiego rodzaju, z obciążeniami zarówno rezystancyjnymi, pojemnościowymi, jak i indukcyjnymi. Kiedy równolegle z wyłącznikiem przekaźnikowym jest włączony wyłącznik półprzewodnikowy, na przykład triak, prądy obciążenia można zwiększyć, w przypadku wszelkiego typu obciążenia, do wartości znamionowego prądu wyłącznika przekaźnikowego.

Urządzenia, to znaczy obciążenia dla których zasilanie prądem przemiennym jest regulowane/sterowane przez wyłącznik elektryczny, są realizowane tak, że wyłącznik znajduje się zarówno w przewodzie fazowym sieci to znaczy przewodzie napięciowym, jak i w przewodzie zerowym, to znaczy uziemionym. Obecnie zasilanie elektryczne dla jednostki sterującej wyłącznika elektrycznego, i ewentualnie dla samego wyłącznika elektrycznego, odbywa się bezpośrednio z sieci, to znaczy między przewodem napięciowym a przewodem zerowym. Jednak należy zauważyć, że zerowy przewód sieci nie zawsze jest dostępny. Jest tak na przykład w przypadku wewnętrznych instalacji przewodowych, w ściennych puszkach zasilających przeznaczonych dla wyłączników, w których nie jest stosowany przewód zerowy. W takim przypadku, kiedy zasilanie elektryczne wyłącznika i jednostki sterującej jest realizowane konwencjonalnie, konieczne jest instalowanie przewodu zerowego dodatkowo.

Problem z wyłącznikiem elektrycznym, kiedy możliwe jest wykorzystanie do zasilania tylko przewodu napięciowego, polega na tym, że w celu zapewnienia działania jednostki sterującej wyłącznika elektrycznego, a często również samego wyłącznika elektrycznego, potrzebne jest zapewnienie zasilania zarówno wtedy, kiedy wyłącznik elektryczny jest aktywny, to znaczy przewodzi, jak i kiedy jest nieaktywny, to znaczy nie przewodzi. Ponieważ przez wyłącznik elektryczny przechodzi tylko przewód fazowy, brak jest potencjału odniesienia, na przykład potencjału ziemi, dla zapewnienia różnicy napięć i dla zapewnienia zasilania przełączania elektrycznego i jego jednostki sterującej.

Z publikacji patentowej USA US-4.713.598 znany jest wyłącznik przekaź nikowy, w którym zasilanie wzmacniacza czujnika PIR (passive infrared sensor) włączonego dla sterowania tego wyłącznika przekaźnikowego odbywa się bez przewodu zerowego, przy wykorzystaniu tylko przewodu fazowego. Wyłącznik przekaźnikowy jest włączony do sieci prądu przemiennego szeregowo z obciążeniem i z uzwojeniem pierwotnym transformatora prądowego. Kiedy wyłącznik przekaźnikowy jest aktywny, to znaczy przewodzi, napięcie przemienne uzwojenia pierwotnego transformatora prądowego jest prostowane, i otrzymuje się w wyniku napięcie stałe potrzebne do zasilania wzmacniacza. Kiedy wyłącznik przekaźnikowy jest nieaktywny, a przepływ prądu przez wyłącznik jest niemożliwy, prostowane jest napięcie występujące na przełączniku, i z niego wytwarzane jest potrzebne napięcie robocze wzmacniacza.

Kiedy wyłącznik przekaźnikowy jest aktywny i przez wyłącznik przepływa prąd obciążenia, spadek napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora prądowego jest pomijalny w porównaniu z wystę pują cym na obciążeniu napięciem obciążenia. Typowo, spadek napię cia jest rzę du 1% napię cia obciążenia. Spadek napięcia występujący na uzwojeniu pierwotnym jest transformowany w transformatorze prą dowym na duż e napię cie wtórne na uzwojeniu wtórnym, przy czym to napię cie wtórne jest całkowicie lub częściowo prostowane przez diodę, z którą połączony jest filtr wygładzający napięcie, kondensator przepustowy, i która daje napięcie wyprostowane dla wzmacniacza. Dla przykładu, liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, odpowiednio W1 i W2, przy obciążeniu 60 W może wynosić W1 = 45 i W2 = 2000. Ponadto, uzwojenie pierwotne ma również kilka odczepów pośrednich, co umożliwia korekcję przekładni dla dopasowania do obciążenia.

Problem polega na tym, że ze względu na strukturę i rozmiary, zwłaszcza ze względu na liczbę zwojów, transformator prądowy zajmuje dużo miejsca. Ten typ transformatora prądowego jest niewygodny do jego pomieszczenia w ograniczonych przestrzeniach instalacji, na przykład w puszkach instalacyjnych wyłączników elektrycznych lub podobnych urządzeń elektrycznych.

PL 206 414 B1

Jeszcze inny problem polega na tym, że ograniczona jest wielkość obciążenia łączonego szeregowo z transformatorem prądowym. Zwykle transformatory prądowe są przeznaczone do niewielkich obciążeń, zaledwie do 60 W, jak w przykładzie podanym w wymienionej powyżej publikacji patentowej USA. Jeżeli podobny transformator jest wykorzystywany z większymi obciążeniami, to jego wymiary fizyczne bardzo rosną.

Sposób zasilania wyłącznika elektrycznego, w którym wyłącznik włącza się w drogę prądu między źródłem prądu przemiennego, korzystnie siecią prądu przemiennego a obciążeniem, dla przerywania i włączania zasilania, przy czym z wyłącznikiem również łączy się szeregowo obwód pierwotny transformatora prądowego, tak że moc zasilania wymaganą dla jednostki sterującej wyłącznika i ewentualnie samego wyłącznika pobiera się z zacisków wyłącznika, kiedy wyłącznik jest w stanie nieaktywnym, a z wtórnego obwodu transformatora prądowego przez prostownik, kiedy wyłącznik jest w stanie aktywnym i moc zasilania dostarcza się do obciążenia, wedł ug wynalazku charakteryzuje si ę tym, że materiał rdzenia transformatora prądowego, liczbę zwojów uzwojenia obwodu pierwotnego i uzwojenia obwodu wtórnego oraz przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego dobiera się tak, że transformator prądowy pozostaje w stanie nasycenia w każdym półokresie prądu sieciowego, przy czym maksymalne wartości napięć wtórnych w szczycie nasycenia na uzwojeniu obwodu wtórnego prostuje się za pomocą prostownika dla otrzymania mocy prądu stałego w stanie nieaktywnym wyłącznika elektrycznego.

Układ zasilania wyłącznika elektrycznego, w którym wyłącznik jest włączony w drogę prądu między źródłem prądu przemiennego a obciążeniem, dla przerywania i włączania zasilania, przy czym z wyłącznikiem również połączony jest szeregowo obwód pierwotny transformatora prą dowego, a moc zasilania dla jednostki sterującej wyłącznika i ewentualnie samego wyłącznika, jest podawana z zacisków wyłącznika kiedy wyłącznik jest w stanie nieaktywnym i przerwane jest podawanie zasilania do obciążenia, a z wtórnego obwodu transformatora prądowego przez prostownik kiedy wyłącznik jest w stanie aktywnym i moc zasilania jest dostarczana do obciążenia, wedł ug wynalazku charakteryzuje się tym, że materiał rdzenia transformatora prądowego, liczba zwojów uzwojenia obwodu pierwotnego i uzwojenia obwodu wtórnego oraz przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego są dobrane tak, ż e transformator prądowy pozostaje w stanie nasycenia w każdym półokresie prądu sieciowego, przy czym do zacisków uzwojenia obwodu wtórnego tego transformatora prądowego dołączony jest prostownik, którego zaciski wyjściowe stanowią zaciski mocy prądu stałego w stanie nieaktywnym wyłącznika elektrycznego.

Korzystnym jest, że materiałem rdzenia transformatora prądowego jest materiał o dużej przenikalności magnetycznej.

Korzystnym jest, że liczba zwojów drutu w uzwojeniu obwodu pierwotnego transformatora prądowego jest równa lub mniejsza od 10.

Korzystnym jest, że przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego transformatora prądowego wynosi przynajmniej 0,75 mm².

Korzystnym jest, że rdzeń transformatora prądowego jest i wykonany jako pierścień toroidalny.

Korzystnym jest, że liczba zwojów drutu uzwojenia obwodu wtórnego transformatora prądowego jest większa od, lub równa 200.

Korzystnym jest, że transformator prądowy zawiera dwa uzwojenia wtórne, przez które zasilanie doprowadzone jest do jednostki sterującej wyłącznika i jednocześnie do samego wyłącznika.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku, w celu realizacji zasilania wyłącznika elektrycznego, wyłącznik jest włączony w drogę prądu między źródłem prądu przemiennego, korzystnie siecią prądu przemiennego, a obciążeniem w celu przerywania i włączania zasilania, a z wyłącznikiem również połączony jest szeregowo obwód pierwotny transformatora prądowego, ponadto moc zasilania wymagana dla jednostki sterującej wyłącznika i ewentualnie samego wyłącznika jest pobierana z zacisków wyłącznika, kiedy wyłącznik jest nieaktywny, a z wtórnego obwodu transformatora prądowego przez prostownik, kiedy wyłącznik jest aktywny i zasilanie jest dostarczane do obciążenia. Według wynalazku, konstrukcja transformatora prądowego powoduje, że działa on z nasyceniem w każdym półokresie prądu sieciowego, a szczyty nasycenia napięcia wtórnego w obwodzie wtórnym transformatora prądowego są prostowane w celu otrzymania mocy prądu stałego, kiedy wyłącznik jest aktywny.

Zaleta wynalazku polega na tym, że transformator prądowy działający w zakresie nasycenia jest możliwy do zrealizowania w niewielkich wymiarach. Możliwe jest utrzymanie niewielkiej liczby zwojów drutu transformatora prądowego, zwłaszcza liczby zwojów uzwojenia pierwotnego, i w tym przypadku wymiary transformatora otrzymuje się wyraźnie mniejsze, niż w konwencjonalnych konstrukcjach

PL 206 414 B1 transformatora. Jest to szczególnie ważne, kiedy wyłącznik elektryczny, transformator prądowy i pomocnicza jednostka sterująca muszą się zmieścić w niewielkiej przestrzeni, zwłaszcza w elektrycznej puszce instalacyjnej.

Inna zaleta wynalazku polega na tym, że jeden transformator prądowy może być stosowany w szerokim zakresie mocy obciążenia, na przykł ad 25 W - 3,7 kW. W tym przypadku zakres prą dów obciążenia może wynosić 100 mA - 16 A.

Przedmiot wynalazku zostanie objaśniony bardziej szczegółowo w przykładach wykonania na rysunku, na który fig. 1 przedstawia zasadę działania wyłącznika elektrycznego, z dostarczaniem zasilania według wynalazku, fig. 2 - zasadę działania innego wyłącznika elektrycznego i zasilania według wynalazku, fig. 3 - schemat praktyczny układu zasilania w wyłączniku elektrycznym według wynalazku, a fig. 4A i 4B przedstawiają wykresy napięcia wtórnego transformatora prądowego przy dwóch różnych obciążeniach.

Przedmiotem wynalazku jest układ zasilający sterowanego elektrycznie wyłącznika elektrycznego 1, na przykład wyłącznika elektromechanicznego i/lub wyłącznika półprzewodnikowego, przy tylko jednym przewodzie elektrycznym przechodzącym przez ten wyłącznik.

Wyłącznik elektryczny 1 jest włączony w drogę prądową, na przykład przewód napięciowy J między źródłem prądu przemiennego E, korzystnie jedną z faz sieci prądu przemiennego, a obciążeniem L, jak to przedstawiono na fig. 1 i 2. Za pomocą wyłącznika elektrycznego 1 odbywa się odcinanie, czyli przerywanie lub, odpowiednio, włączanie zasilania ze źródła prądu przemiennego E do obciążenia L, zależnie od położenia wyłącznika, odpowiednio, nieaktywnego a i aktywnego k. Wyłącznik elektryczny 1 jest ustawiany w położeniach nieaktywnym i aktywnym za pomocą jednostki sterującej 2. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest, jeśli rozkaz funkcjonalny do jednostki sterującej 2 jest podawany z zewnątrz tej jednostki (por. strzałka na fig. 1 i 2).

Układ zasilania wyłącznika elektrycznego 1 zawiera transformator prądowy 3, prostownik 4 i źródło 5 napięcia stałego. Obwód pierwotny W1 transformatora prądowego 3 jest połączony szeregowo z wyłącznikiem elektrycznym 1. Moc elektryczna dla wyłącznika elektrycznego 1 i jego jednostki sterującej 2 może być pobierana z dołączonego do wyłącznika 1 źródła 5 napięcia stałego, kiedy wyłącznik jest nieaktywny, w pozycji a, i zasilanie jest odcięte, i z obwodu wtórnego W2 transformatora prądowego 3 za pośrednictwem prostownika 4, kiedy wyłącznik jest aktywny, w pozycji k, i prąd przemienny ze źródła E prądu przemiennego jest doprowadzany do obciążenia L.

Według niniejszego wynalazku transformator prądowy 3 jest dostosowany konstrukcyjnie do takiego działania, że jest nasycany w każdym półokresie prądu sieci.

W konwencjonalnym, idealnym transformatorze prą dowym, stosunek prą dów obwodu pierwotnego i obwodu wtórnego jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku liczby zwojów uzwojenia w obwodzie pierwotnym i obwodzie wtórnym. W praktyce, prąd magnesowania powoduje różnice w stosunku prądów. W celu możliwie dokładnego utrzymania przy regulacji proporcji obwodów, pierwotnego i wtórnego, konieczne jest zminimalizowanie zniekształ ceń powodowanych przez prą d magnesowania, to znaczy wartość prądu magnesującego należy utrzymywać możliwie małą. Im większa jest indukcyjność magnesowania, tym mniejszy jest prąd magnesujący. Wartość indukcyjności magnesowania zależy od liczby zwojów uzwojenia, rozmiaru transformatora i zastosowanego materiału rdzenia. Zwykle prąd magnesowania konwencjonalnego transformatora prądowego przyjmuje się mniejszą, niż 3% wartości prądu mierzonego.

Wartość napięcia wtórnego U konwencjonalnego transformatora prądowego przyjmuje się jako mniejszą od wartości napięcia progowego Uk = 1V, ponieważ duże napięcie wtórne powodowałoby zwiększenie prądu magnesowania i:

U_k = L x (di/dt) » di = (dt x U)/L, gdzie

L = indukcyjność transformatora prądowego.

Z tego powodu, uzwojenie wtórne transformatora prądowego jest połączone z rezystorem obciążenia o małej impedancji, i za pomocą tego rezystora, wartość napięcia wtórnego jest ograniczana do pożądanej wartości napięcia.

W układzie zasilania według wynalazku, transformator prądowy 3 jest dostosowany konstrukcyjnie do nasycania, o czym już wspomniano powyżej. W takim przypadku wartości napięcia wtórnego U nie są ograniczone, jak w konwencjonalnym transformatorze prądowym, i liczbę zwojów dobiera się niewielką. Obydwa wspomniane warunki zwiększają wartość prądu magnesującego do tego stopnia, że transformator jest nasycony.

PL 206 414 B1

Dobierany materiał rdzenia dla transformatora prądowego 3 jest materiałem o dużej przenikalności magnetycznej P. Takimi materiałami są, między innymi, czyste żelazo (P = 180 000) i pewne stopy żelaza i niklu, na przykład Permalloy 78 (P = 100 000). Znane są i dostępne materiały nadające się do stosowania w charakterze materiału rdzeniowego, dla których gęstość strumienia nasycenia wynosi 1,2 T, a maksymalna przenikalność magnetyczna wynosi 80 000. Liczba zwojów drutu uzwojenia pierwotnego W1 transformatora prądowego 3 jest dobrana mniejsza od 10, lub równa 10. Ponadto, przekrój drutu uzwojenia pierwotnego dobrany jest jako wynoszący co najmniej 0,75 mm², dla umożliwienia przetwarzania przez transformator prądowy dużych prądów, na przykład 10A. Wtedy liczbę zwojów uzwojenia wtórnego W2 transformatora prądowego dobiera się jako większą od, lub równą 200. Korzystne jest, jeżeli rdzeń transformatora prądowego 3 jest wykonany jako toroidalny.

Dla przykładu można obliczyć, ile wynosi wartość maksymalna sinusoidalnego napięcia wtórnego U uzwojenia wtórnego W2, przy której transformator prądowy 3 nie jest nasycony.

Maksymalny strumień sprzężony transformatora prądowego wynosi:

Xmax = N x Ac x Bs gdzie

N = liczba zwojów uzwojenia 300

Ac = przekrój pierścieniowego rdzenia toroidalnego 0,24 x 10^-6m^-2

Bs = gęstość strumienia nasycenia materiału rdzenia toroidalnego 1,2 T

X_max « 8, 64 x 10^-3Vs

Jednocześnie, strumień sprzężenia można również obliczyć na podstawie całki z sinusoidalnego napięcia wtórnego:

^{π / ω} _U f U_max sin <Otdt = 2 x ^max ₀ω

Umax = wartość szczytowa napięcia wtórnego, a ω = częstotliwość kątowa 2nf

A teraz, otrzymana wartość strumienia sprzężenia musi być = X_max, to znaczy x U_max/<O = X_max » U_max = nf = 8,64 x 10^-3 Vs x 3,14 x 50 Hz « 1,36 V

Z fig. 4A i 4B wynika, co opisano poniżej, że przy minimalnym obciążeniu transformatora prądowego 3, wartość szczytowa napięcia wtórnego wynosi co najmniej 9 V, i jest wartością wyraźnie większą od otrzymanej powyżej wartości obliczeniowej 1,36 V sinusoidalnego napięcia wtórnego. W wyniku tego, transformator 3 jest nasycony z pewnymi wartościami wstępnymi.

Inny układ zasilania dla wyłącznika elektrycznego 1 według niniejszego wynalazku przedstawiono na fig. 2. W tym przypadku, wyłącznik elektryczny 1 zawiera w charakterze właściwego elementu przełączającego, wyłącznik- przekaźnikowy 11, zwłaszcza bistabilny wyłącznik przekaźnikowy. Bistabilny wyłącznik przekaźnikowy wymaga zasilania elektrycznego tylko kiedy następuje zmiana trybu działania z przewodzenia na nie przewodzenie i na odwrót. Zatem, z punktu widzenia zużycia mocy, jest to oszczędny element przełączający. W tej odmianie wykonania, uzwojenie wtórne W2 transformatora prądowego 3 zawiera dwa uzwojenia W2a, W2b, które połączone są szeregowo. Wymaga to dwóch prostowników, korzystnie prostowników pełnookresowych 4a, 4b. Wejście pierwszego prostownika jest dołączone tylko do zacisków pierwszego uzwojenia W2a, podczas gdy wejście drugiego prostownika jest dołączone do zacisków obydwu uzwojeń wtórnych W2a, W2b. Źródło 5 stałego napięcia zawiera dwa kondensatory C1, C2, z których pierwszy kondensator C1 jest dołączony do wyjścia pierwszego prostownika 4a, a drugi kondensator, C2, jest dołączony do wyjścia drugiego prostownika 4b.

Źródło prądu przemiennego E, na przykład jedna faza sieci, dołączone jest przez wyłącznik przekaźnikowy 11 wyłącznika elektrycznego do obciążenia L, i za pośrednictwem obciążenia do zera sieci, tak że powstaje obwód, który może być zamykany i przerywany za pomocą wyłącznika przekaźnikowego. Kiedy wyłącznik przekaźnikowy 11 wyłącznika elektrycznego jest nieaktywny, to znaczy nie przewodzi, ma dużą impedancję. Teraz niezbędne zasilanie mocą elektryczną, potrzebną do działania elementów przełącznika elektrycznego jest generowane za pomocą niewielkiego prądu przepływającego przez obciążenie L. W tym celu źródło 5 napięcia stałego zaopatrzone jest w powodujący spadek napięcia obwód 51, który jest dołączony do zacisków wyłącznika przekaźnikowego 11 i do uzwojenia pierwotnego W1 transformatora prądowego 3. W obwodzie 51 do wytwarzania spadku napięcia, występujące napięcie sieciowe E jest transformowane na odpowiednie niewielkie napięcie robocze. Tym

PL 206 414 B1 napięciem roboczym ładowane są kondensatory C1 i C2. Z pierwszego kondensatora C1 zasilanie jest podawane do jednostki sterującej 2 wyłącznika elektrycznego. Kondensator C2 obciążony jest jedynie energią potrzebną do zmiany trybu pracy wyłącznika przekaźnikowego 11. Kiedy wyłącznik przekaźnikowy 11 znajduje się w stabilnym trybie pracy, kondensator C2 jest obciążony jedynie własnym, niewielkim prądem upływu.

Z jednostki sterującej 2 wyłącznika elektrycznego, wysyłany jest rozkaz sterujący aktywacji wprowadzenia wyłącznika przekaźnikowego 11 w stan przewodzenia, odpowiednim impulsem sterującym. Jednostka sterująca 2 z kolei jest sterowana na przykład przez czujnik zewnętrzny, na przykład czujnik PIR, lub urządzenie czasowe. W trybie przewodzenia, wyłącznik przekaźnikowy 11 ma impedancję małą. Kiedy wyłącznik przekaźnikowy 11 zaczyna przewodzić, prąd obciążenia zaczyna przepływać przez wyłącznik przekaźnikowy 11, i napięcie panujące na wyłączniku elektrycznym spada prawie do zera. Napięcie kondensatora C2 spada do poziomu niższego, niż poprzednio, ponieważ wyłącznik przekaźnikowy 11 pobiera moc sterowania. Napięcie kondensatora C1 zaczyna spadać, ponieważ jednostka sterująca 2 ciągle go obciąża. Równocześnie, kiedy prąd obciążenia zaczyna płynąć przez wyłącznik przekaźnikowy, zaczyna działać transformator prądowy 3. Ponieważ uzwojenia wtórne W2a i W2b transformatora prądowego 3 są połączone szeregowo, to napięcie kondensatora C2 ustala się w zasadzie na tym samym poziomie, co napięcie sumacyjne otrzymywane z uzwojeń wtórnych (zmniejszone o straty napięcia prostownika pełnookresowego 4b) i, odpowiednio napięcie kondensatora C1 jest ustalone na poziomie napięcia otrzymanego z pierwszego uzwojenia wtórnego W2 (zmniejszonego o straty napięcia prostownika pełnookresowego 4a). Z upływem czasu osiąga się równowagę napięciową, przy czym prąd upływu kondensatora C2 jest równy prądowi ładowania otrzymywanemu z transformatora prądowego 3. Teraz napięcie kondensatora C2 pozostaje duże dostatecznie dla umożliwienia wyłączenia wyłącznika przekaźnikowego 11 w wyłączniku elektrycznym. Napięcie kondensatora C1 pozostaje na poziomie, który jest dostateczny dla podtrzymania działania wyłącznika elektrycznego.

Z jednostki sterującej 2 z kolei jest wysyłany rozkaz aktywacji wyłącznika przekaźnikowego 11 odpowiednim impulsem sterującym. Jednostka sterująca 2 z kolei jest sterowana zewnętrznie, przy aktywacji wyłącznika przekaźnikowego w sposób podobny do opisanego powyżej. Obecnie przepływ prądu obciążenia jest odcięty. Na przełączniku sieciowym znów występuje aktywne napięcie sieci. Poziom napięcia kondensatora C2 może nieco spaść, lecz kondensatory niezwłocznie zaczynają być ładowane przez obwód 51 powodujący spadek napięcia. Poziom napięcia kondensatora C1 jest utrzymywany przez ładowanie w podobny sposób.

Trzeci przykład zasilania wyłącznika elektrycznego 1 według wynalazku przedstawiono na fig. 3. W tym przypadku wyłącznik elektryczny zawiera, w charakterze właściwych części przełączających, wyłącznik przekaźnikowy 11, w szczególności bistabilny wyłącznik przekaźnikowy, i równolegle z nim połączony dwukierunkowy przełącznik półprzewodnikowy 12, w tym przykładzie wykonania triak. Poza tym, wyłącznik elektryczny z fig. 3 i jego zasilanie odpowiadają wyłącznikowi elektrycznemu z fig. 2 i jego zasilaniu. Wyłącznik pół przewodnikowy 12 jest konstrukcyjnie dostosowany do przewodzenia, kiedy styki wyłącznika przekaźnikowego 11 są wyłączane i włączane, tak więc styki wyłącznika przekaźnikowego są zabezpieczone przed ostrymi impulsami. Za pomocą wyłącznika półprzewodnikowego 12 możliwe jest również realizowanie tak zwanego przełączania w punkcie zerowym. Znaczy to, że moc elektryczna obciążenia jest włączana i wyłączana zawsze w punkcie zerowym napięcia sieci. Zaleta takiego układu polega na tym, że umożliwia on przełączanie i sterowanie wszelkiego typu obciążeń: rezystancyjnych, pojemnościowych i indukcyjnych.

W zasadzie wyłącznik elektryczny i jego zasilanie przedstawione na fig. 3 działają tak samo, jak opisane powyżej w odmianie wykonania z fig. 2, i w tym miejscu przywołuje się opis działania zamieszczony powyżej. Wyłącznik elektryczny z fig. 3 przedstawiono jako przykład kilku korzystnych odmian wykonania obwodów włączenia kondensatorów C1, C2 i obwodu 51 powodującego spadek napięcia. Jednostka sterująca 2 została przedstawiona w postaci dwóch jednostek układowych: właściwej jednostki sterującej 2a i jednostki 2b zasilającej elementy przełączające 11, 12. W tej odmianie wykonania jednostka sterująca również jest sterowana sygnałami sterującymi z pasywnego czujnika podczerwieni PIR.

Obwód 51 powodujący spadek napięcia zawiera trzeci kondensator C3, rezystor R1 i diodę Zenera Z1. Obwody połączeniowe kondensatora pierwszego i drugiego C1, C2, zawierają diody, odpowiednio pierwszą i drugą D1 i D2. Kondensatory C1, C2 są włączone na wyjścia odpowiednich prostowników 4a, 4b. Diody D1, D2 są włączone w przeciwnych kierunkach, a zaciski ich katod są połączone

PL 206 414 B1 z zaciskami kondensatorów C1, C2. Zaciski anod diod D1 D2 są połączone wzajemnie ze sobą , i dodatkowo z zaciskiem katodowym diody Zenera Z1, która z kolei jest dołączona, za poś rednictwem szeregowo rezystora i trzeciego kondensatora C3 do punktu między obciążeniem L a wyłącznikiem 11. Zacisk anodowy diody Zenera Z1 jest dołączony do źródła napięcia przemiennego, to znaczy do przewodu fazowego. Zacisk napięciowy pierwszego kondensatora C1 jest dołączony do jednostki sterującej 2, konkretnie, do właściwej jednostki sterującej 2a, w celu zapewnienia jej zasilania. Zacisk napięciowy drugiego kondensatora C2 również jest połączony z jednostką sterującą 2, konkretnie z jednostką zasilają c ą 2b.

Kiedy wyłącznik przekaźnikowy 11 wyłącznika elektrycznego 1 jest nieaktywny, zasilanie elektryczne jednostki sterującej 2 jest generowane za pośrednictwem obciążenia L i kondensatora C3 obwodu 51 powodującego spadek napięcia, rezystora R1 i diody Zenera Z1. Teraz kondensatory C1 i C2 są ł adowane do potencjał u ograniczonego diodą Zenera Z1 (zmniejszonego o napię cie progowe diod D1 i D2).

Kiedy z jednostki sterującej wyłącznika elektrycznego 1 zostaje podany rozkaz włączenia wyłącznika przekaźnikowego 11, jednostka sterująca 2 najpierw wysyła impuls sterujący (o czasie trwania w przybliżeniu 40 ms) do wyłącznika półprzewodnikowego 12, i nieco później (po około 10 ms) do wyłącznika przekaźnikowego 11. Teraz przez wyłączniki 11, 12 zaczyna płynąć prąd obciążenia.

Kiedy z jednostki sterującej wyłącznika elektrycznego 1 zostaje wysłany rozkaz sterujący wyłączenia wyłącznika przekaźnikowego 11, jednostka sterująca 2 wysyła impuls sterujący (o czasie trwania w przybliżeniu 40 ms) do wyłącznika półprzewodnikowego 12, i nieco później (po około 10 ms) zostaje wyłączony wyłącznik przekaźnikowy 11. Przepływ prądu obciążenia zostaje przerwany, i potencjał sieci znów pojawia się na wyłączniku elektrycznym 1. Rozpoczyna się ładowanie kondensatora C2 przez kondensator C3 i rezystor R1 obwodu 51 powodującego spadek napięcia, aż do ograniczenia przez diodę Zenera Z1 narastania napięcia. Napięcie kondensatora Cl narasta do tego samego potencjału.

Liczba zwojów drutu w uzwojeniu pierwotnym transformatora prądowego 3 jest rzędu 10 lub nawet mniej. Minimalne liczby zwojów drutu uzwojeń wtórnych, pierwszego i drugiego W2a, W2b, wyłącznika elektrycznego według fig. 3, są rzędu 200, korzystnie mieszczą się w zakresie 200-400.

Figura 4A przedstawia wtórne impulsy napięciowe transformatora prądowego 3 wyłącznika elektrycznego według fig. 3, mierzone oscyloskopem, kiedy zastosowanym obciążeniem jest żarówka 25 W. Pierwsze napięcie wtórne U1 jest mierzone na pierwszym uzwojeniu wtórnym W2a. Drugie napięcie wtórne U2 jest mierzone na obu uzwojeniach W2a i W2b. Zgodnie z w wynikami pomiarów, maksymalne wartości napięciowe w szczycie nasycenia KP napięć wtórnych U1, U2 wynoszą, odpowiednio 9 V i 14 V. Fig. 4B przedstawia odpowiednie napięcia wtórne U1, U2, przy zastosowanym obciążeniu żarówką 100 W. Przy większym prądzie obciążenia, czas trwania szczytu nasycenia KP napięcia wtórnego U1, U2 jest skrócony, lecz odpowiednio podwyższony jest poziom napięcia. W tym przypadku maksymalne wartości napięcia szczytu KP nasycenia napięć wtórnych U1, U2 wynoszą, według pomiarów, odpowiednio 18 V i 30 V.

W najkorzystniejszej odmianie wykonania niniejszego wynalazku wyłącznik elektryczny 1 i jego układ zasilania jest przeznaczony do zainstalowania w puszcze ściennej, zwłaszcza puszce wpuszczanej, z ograniczoną ilością miejsca dla elementów wyłącznika elektrycznego. Transformator prądowy 3 wyłącznika elektrycznego 1 został zbudowany z rdzeniem toroidalnym o średnicy zewnętrznej 20 mm. Zastosowanym materiałem rdzenia był materiał NANOPERM™. Poniżej podano wykaz liczby zwojów uzwojeń transformatora prądowego 3 i zastosowane druty:

W1:	6 zwojów	0,75 mm2 drut izolowany
W2a:	300 zwojów	0 0,18 mm Cu
W2b:	200 zwojów	0 0,18 mm Cu
Na podstawie wykonanych prób stwierdzono, że wyłącznik elektryczny działa bez usterek przy

pożądanych prądach obciążenia 100 mA - 10 A.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zasilania wyłącznika elektrycznego, w którym wyłącznik włącza się w drogę prądu między źródłem prądu przemiennego, korzystnie siecią prądu przemiennego a obciążeniem, dla przerywania i włączania zasilania, przy czym z wyłącznikiem również łączy się szeregowo obwód pierwotny

   PL 206 414 B1 transformatora prądowego, tak że moc zasilania wymaganą dla jednostki sterującej wyłącznika i ewentualnie samego wyłącznika pobiera się z zacisków wyłącznika, kiedy wyłącznik jest w stanie nieaktywnym, a z wtórnego obwodu transformatora prądowego przez prostownik, kiedy wyłącznik jest w stanie aktywnym i moc zasilania dostarcza się do obciążenia, znamienny tym, że materiał rdzenia transformatora prądowego (3), liczbę zwojów uzwojenia obwodu pierwotnego (W1) i uzwojenia obwodu wtórnego (W2) oraz przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego (W1) dobiera się tak, że transformator prądowy (3) pozostaje w stanie nasycenia w każdym półokresie prądu sieciowego, przy czym maksymalne wartości napięć wtórnych (U1, U2) w szczycie nasycenia (KP) na uzwojeniu obwodu wtórnego (W2; W2a, W2b) prostuje się za pomocą prostownika (4; 4a, 4b) dla otrzymania mocy prądu stałego w stanie nieaktywnym (k) wyłącznika elektrycznego (1).
2. 2. Układ zasilania wyłącznika elektrycznego, w którym wyłącznik jest włączony w drogę prądu między źródłem prądu przemiennego a obciążeniem, dla przerywania i włączania zasilania, przy czym z wyłącznikiem również połączony jest szeregowo obwód pierwotny transformatora prą dowego, a moc zasilania dla jednostki sterującej wyłącznika i ewentualnie samego wyłącznika, jest podawana z zacisków wyłącznika kiedy wyłącznik jest w stanie nieaktywnym i przerwane jest podawanie zasilania do obciążenia, a z wtórnego obwodu transformatora prądowego przez prostownik kiedy wyłącznik jest w stanie aktywnym i moc zasilania jest dostarczana do obciążenia, znamienny tym, ż e materiał rdzenia transformatora prądowego (3), liczba zwojów uzwojenia obwodu pierwotnego (W1) i uzwojenia obwodu wtórnego (W2; W2a, W2b) oraz przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego (W1) są dobrane tak, że transformator prądowy (3) pozostaje w stanie nasycenia w każdym półokresie prądu sieciowego, przy czym do zacisków uzwojenia obwodu wtórnego (W2; W2a, W2b) tego transformatora prądowego (3) dołączony jest prostownik (4; 4a, 4b), którego zaciski wyjściowe stanowią zaciski mocy prądu stałego w stanie nieaktywnym (k) wyłącznika elektrycznego (1).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że materiałem rdzenia transformatora prądowego (3) jest materiał o dużej przenikalności magnetycznej.
4. 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że liczba zwojów drutu w uzwojeniu obwodu pierwotnego (W1) transformatora prądowego (3) jest równa lub mniejsza od 10.
5. 5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że przekrój drutu uzwojenia obwodu pierwotnego (W1) transformatora prądowego (3) wynosi przynajmniej 0,75 mm².
6. 6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że rdzeń transformatora prądowego (3) jest wykonany jako pierścień toroidalny.
7. 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że liczba zwojów drutu uzwojenia obwodu wtórnego (W2, W2a, W2b) transformatora prądowego (3) jest większa od, lub równa 200.
8. 8. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że transformator prądowy (3) zawiera dwa uzwojenia wtórne (W2a, W2b), przez które zasilanie doprowadzone jest do jednostki sterującej (2) wyłącznika (1) i jednocześnie do samego wyłącznika (11, 12).