(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (51) Int. Cl. H01F1/153 ( ) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej Europejski Biuletyn Patentowy 2008/29 EP B1 (54) Tytuł wynalazku: Wyłącznik różnicowo prądowy i rdzeń magnetyczny do tego wyłącznika (30) Pierwszeństwo: DE (43) Zgłoszenie ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 2006/41 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 12/2008 (73) Uprawniony z patentu: Magnetec GmbH, Langenselbold, DE (72) Twórca (y) wynalazku: PL/EP T3 Cismadia Elek, Gyöngyös, HU Ferch Martin, Langenselbold, DE Haas Herbert, Gelnhausen, DE Senftinger Wolfgang, Würzburg, DE Zamborszky Ferenc, Gyöngyöstarján, HU (74) Pełnomocnik: Kancelaria Patentowa rzecz. pat. Kamiński Zbigniew Warszawa Al. Jerozolimskie 101/18 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 EP B1 U-3051n/08 Wyłącznik różnicowo prądowy i rdzeń magnetyczny do tego wyłącznika Opis [0001] Przedmiotem wynalazku jest wyłącznik różnicowo prądowy do prądu zmiennego z przekładnikiem prądowym sumującym, wyposażony w magnetycznie miękki rdzeń wykonany z nanokrystalicznego stopu żelaza, w umieszczone na tym rdzeniu uzwojenia różnicowe i uzwojenie pomiarowe oraz w połączony z uzwojeniem pomiarowym element przełączający. Przedmiotem wynalazku jest również rdzeń do wyłącznika różnicowo prądowego do prądu zmiennego. [0002] Wyłączniki różnicowo prądowe stosowane od wielu lat do zabezpieczania ludzi i maszyn znacznie zwiększyły bezpieczeństwo użytkowania urządzeń elektrycznych. Do zabezpieczania maszyn stosuje się wyłączniki różnicowo prądowe o prądzie wyzwalającym wynoszącym 300 do 500mA, natomiast w przypadku wyłączników chroniących ludzi przed porażeniem elektrycznym prąd wyzwalający jest znacznie niższy i wynosi 30 ma. [0003] Wyłączniki różnicowo prądowe są typowymi urządzeniami pasywnymi, przy czym prąd z sieci zasilającej do odbiornika płynie przez jedno uzwojenie, prąd z odbiornika do sieci przepływa przez drugie uzwojenie, zaś oba te uzwojenia umieszczone na rdzeniu magnetycznym są wykonane jako uzwojenia różnicowe. Dzięki takiemu rozwiązaniu rdzeń magnetyczny tworzy przekładnik prądowy sumujący. Podczas normalnej, bezawaryjnej pracy suma prądów przekładnika (uwzględniając znaki dodatni i ujemny) jest równa zeru, rdzeń magnetyczny nie 1

3 jest magnesowany. W przypadku pojawienia się prądu uszkodzeniowego suma prądów przekładnika jest różna od zera, w rdzeniu magnetycznym zostaje wzbudzone pole magnetyczne, przy czym w uzwojeniu pomiarowym pojawia się napięcie indukowane. Napięcie to powoduje zwolnienie styków przekaźnika i przerwanie dopływu prądu do odbiornika. [0004] Pole magnetyczne rdzenia spowodowane przepływem prądu uszkodzeniowego musi być wystarczające, aby napięcie indukowane w cewce pomiarowej mogło zwolnić przekaźnik. Jednocześnie konstrukcja wyłącznika powinna być zwarta i powinna zapewnić prawidłowe funkcjonowanie w zakresie temperatur od -25C do +80C. Przy takich żądanych parametrach właściwości magnetyczne rdzenia muszą być stabilne, zaś materiał rdzenia musi spełniać najwyższe wymagania. [0005] Z europejskiego opisu patentowego EP A1jest znany rdzeń magnetyczny do wyłączników różnicowo prądowych wykonany ze stopu o zawartości żelaza powyżej 60% atomowych, którego struktura składa się w ponad 50% z drobnokrystalicznych ziarn o wielkości poniżej 100nm. Indukcja nasycenia dla tego materiału wynosi ponad 1,1 T, zaś współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs jest mniejszy niż 0,7. Dla rdzeni zastosowanych w tym znanym rozwiązaniu współczynnik proporcjonalnosci remanencji mieści się w zakresie od 0,4 do 0,7 przy tzw. okrągłej pętli histerezy. Współczynnik proporcjonalności remanencji jest stosunkiem remanencji Br do indukcji nasycenia Bs. W przykładowym rozwiązaniu przedstawionym w opisie przenikalność magnetyczna rdzeni wynosi mniej niż [0006] Wyłączniki różnicowo prądowe dopasowuje się do różnych kształtów prądu uszkodzeniowego. Zasadniczo rozróżnia się wyłączniki tego rodzaju stosowane do 2

4 prądu przemiennego i impulsowego. Przyjmuje się, że wyłączniki różnicowo prądowe do prądu przemiennego stosuje się do zabezpieczania sieci prądu zmiennego, zaś wyłączniki do prądu impulsowego reagują na jednobiegunowy prąd uszkodzeniowy. [0007] W zależności od zastosowania stosuje się różne materiały magnetyczne. [0008] Do wyłączników różnicowo prądowych dla prądu impulsowego stosuje się materiały o płaskiej pętli histerezy. Z europejskiego opisu patentowego EP A2 znane są przekładniki prądowe do wyłączników różnicowo prądowych dla prądu impulsowego, o współczynniku proporcjonalności remanencji wynoszącym mniej niż 0,3, wykonane z nanokrystalicznego stopu żelaza. Znane są również rozwiązania, w których do przekładników tego rodzaju stosuje się stopy permalojowe. [0009] Do wyłączników różnicowo prądowych do prądu przemiennego stosuje się od dziesięcioleci praktycznie wyłącznie pierścieniowe rdzenie tasmowe z krystalicznych stopów permalojowych o zawartości niklu między 45 i 80%. W punkcie roboczym wyłącznika charakteryzującym się natężeniem pola magnetycznego wystarczającym do wytworzenia odpowiedniego prądu wyzwalającego przenikalność magnetyczna tego materiału wynosi do , przy czym współczynnik proporcjonalności remanencji mieści się w zakresie między 0,3 i 0,7. [0010] Rdzenie ze stopów permalojowych bardzo dobrze nadają się do stosowania w wyłącznikach różnicowo prądowych prądu przemiennego. Ich wadą jest jednak wysoka zawartość niklu, ponieważ cena tego metalu jest bardzo wysoka. Przez to poszukiwane jest rozwiązanie alternatywne korzystniejsze cenowo. 3

5 [0011] Celem wynalazku jest opracowanie rdzenia magnetycznego do wyłączników różnicowo prądowych prądu przemiennego, który będzie korzystniejszy kosztowo od stosowanych dotychczas rdzeni ze stopów permalojowych, zwłaszcza nie będzie zawierał niklu albo będzie zawierał niewielkie ilości niklu i którym łatwo można zastąpić rdzenie permalojowe bez konieczności wprowadzania większych przeróbek w konstrukcji wyłącznika. Celem wynalazku jest również opracowanie odpowiedniej konstrukcji wyłącznika różnicowo prądowego. [0012] Cel wynalazku zrealizowano w wyłączniku różnicowo prądowym oraz w rdzeniu opisanych w zastrzeżeniach niezależnych. [0013] Wyłącznik różnicowo prądowy jest wyposażony w przekładnik prądowy sumujący z miękkim rdzeniem magnetycznym wykonanym z nanokrystalicznego stopu żelaza. Na rdzeniu są nawinięte uzwojenia różnicowe oraz uzwojenie pomiarowe połączone z elementem przełączającym. Maksymalna przenikalność magnetyczna rdzenia według wynalazku wynosi ponad , zaś współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs jest większy niż 0,7. [0014] Okazało się, że rdzenie magnetyczne o współczynniku proporcjonalności remanencji większym od 0,7, które w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki nie były stosowane w wyłącznikach różnicowo prądowych, w połączeniu z wysoką przenikalnością magnetyczną wynoszącą ponad doskonale nadają się do wyłączników różnicowo prądowych prądu przemiennego i mogą zastąpić stosowane dotychczas rdzenie permalojowe. [0015] Koszt wyprodukowania rdzeni magnetycznych według wynalazku jest niższy niż rdzeni permalojowych zawierających nikiel. Dzięki korzystnym 4

6 właściwościom magnetycznym wymiary i ciężar rdzeni według wynalazku są mniejsze niż zastępowane przez nie rdzenie permalojowe. Redukcja ciężaru może wynosić 40%. [0016] Przenikalność magnetyczna oraz współczynnik proporcjonalności remanencji rdzeni magnetycznych według wynalazku znacznie przewyższa przenikalność magnetyczną rdzeni zaproponowanych w opisie patentowym EP A1 do stosowania w wyłącznikach różnicowo prądowych. Jednocześnie rdzenie według wynalazku spełniają wymaganie niewielkiej zależności wartości magnetycznych od temperatury w zakresie od -25C do +80C. [0017] Przenikalność magnetyczna rdzeni według wynalazku może wynosić powyżej zaś współczynnik proporcjonalności remanencji ponad 0,8. Takie właściwości magnetyczne mają szczególnie duży wpływ na wielkość rdzenia. [0018] Właściwości magnetyczne rdzenia i zależność tych właściwości od temperatury uzyskuje się za pomocą obróbki cieplnej w atmosferze gazu obojętnego i w obecności pola magnetycznego. Należy zwrócić szczególną uwagę na temperaturę i czas trwania obróbki cieplnej, której celem jest utworzenie struktury nanokrystalicznej oraz na temperaturę następnej obróbki cieplnej w polu magnetycznym. Obróbkę cieplną tworzącą strukturę nanokrystaliczną wykonuje się w temperaturze między 550C i 620C, przykładowo w czasie między 20 i 80 minut. Kolejną obróbkę cieplną w obecności stałego pola magnetycznego wykonuje się w czasie od 20 do 150 minut i w temperaturze wynoszącej od 360C do 400C. Przenikalność magnetyczna takich rdzeni może wynosić nawet ponad Odpowiednie parametry dobiera się eksperymentalnie za pomocą niewielkiej ilości prób, w zależności od składu stopu i kształtu rdzenia. [0019] Struktura stopów nanokrystalicznych na bazie żelaza składa się w ponad 5

7 50% z drobnych ziarn o wielkości mniejszej niż 100nm. Obok żelaza o zawartości ponad 60% atomowych stop może zawierać 0,5 do 2% atomowych miedzi, 2 do 5% atomowych niobu, wolframu, tantalu, cyrkonu, hafnu, tytanu albo molibdenu albo przynajmniej jednego z tych metali, 5 do 14% atomowych boru oraz 14 do 17% atomowych krzemu. [0020] Rdzeń magnetyczny i ilość zwojów w uzwojeniach dobiera się tak, aby przy określonym prądzie uszkodzeniowym (prądzie wyzwalającym), który powoduje zwolnienie przekaźnika, wysterowanie rdzenia następowało przy przenikalności magnetycznej powyżej , zwłaszcza powyżej Przy prądzie wyzwalającym wynoszącym przykładowo 30mA uzyskuje się za pomocą odpowiedniego doboru wymiarów parametry magnetyczne zapewniające niezawodne zadziałanie wyłącznika różnicowo prądowego. [0021] Jeżeli rdzeń uzyskuje największą wartość przenikalności magnetycznej przy natężeniu pola wynoszącym od 5 do 15 ma/cm, możliwe jest łatwe zastąpienie tym rdzeniem rdzenia permalojowego, ponieważ przy takim natężeniu pola również rdzeń permalojowy uzyskuje maksymalną przenikalność magnetyczną, czyli punkt roboczy obu rdzeni leży w tym samym zakresie natężenia pola. [0022] Wynalazek jest uwidoczniony w przykładowym rozwiązaniu na rysunku,na którym: Fig.1 przedstawia schemat wyłącznika różnicowo prądowego; Fig.2 histerezę rdzenia magnetycznego według wynalazku oraz rdzenia permalojowego znanego ze stanu techniki; Fig.3 wykres zależności przenikalności magnetycznej od natężenia pola magnetycznego dla rdzenia magnetycznego według wynalazku oraz dla rdzenia 6

8 permalojowego znanego ze stanu techniki; Fig.4 wykres zależności napięcia wyjściowego od temperatury dla wyłącznika różnicowo prądowego wyposażonego w rdzeń według wynalazku oraz w rdzeń permalojowy znany ze stanu techniki. [0023] Fig.1 przedstawia schemat połączeń wyłącznika różnicowo prądowego 1, wyposażonego w rdzeń magnetyczny 2 z uzwojeniem i w przekaźnik 3 tworzący element przełączający. Na rdzeniu magnetycznym 2 są nawinięte dwa uzwojenia różnicowe 4 i 5. Jeden z końców uzwojeń 4 i 5 jest odpowiednio podłączony do przewodów L1 i N sieci zasilającej. Drugi koniec każdego z tych uzwojeń jest podłączony do odbiornika energii 6 połączonego z przewodem uziemiającym PE. [0024] Przy takim połączeniu prąd przepływa z przewodu L1 przez pierwsze uzwojenie 4 do odbiornika energii 6 i następnie z odbiornika 6 przez drugie uzwojenie 5 do przewodu N. Prądy przepływające przez uzwojenia 4, 5 są równe, zaś dzięki temu, że uzwojenia 4 i 5 są uzwojeniami różnicowymi, rdzeń magnetyczny 2 nie zostanie wysterowany. Jeżeli teraz pojawi się prąd uszkodzeniowy, przykładowo gdy ktoś dotknie się do przewodzącego prąd elementu odbiornika 6, wartości prądów przepływających przez uzwojenia 4 i 5 będą różne, ponieważ część prądu przepłynie przez osobę porażoną. Pojawia się szczątkowe napięcie wytwarzające pole magnetyczne w rdzeniu 2, które indukuje napięcie w uzwojeniu pomiarowym 7. Napięcie w uzwojeniu pomiarowym 7 powoduje przepływ prądu w obwodzie wtórnym, który wyzwala styki przekaźnika 3 przerywając dopływ prądu do odbiornika 6. [0025] Dla zabezpieczeń przeciwporażeniowych zadziałanie przekaźnika 3 powinno nastąpić przy prądzie uszkodzeniowym wynoszącym przykladowo 30mA. 7

9 Różnica prądów przepływających w uzwojeniach 4 i 5 wynosząca 30mA musi spowodować indukcję w uzwojeniu pomiarowym 7, przy czym przepłynie prąd wystarczający do zwolnienia styków przekaźnika 3. Warunek ten może zostać łatwo spełniony dzięki zastosowaniu w rozwiązaniu według wynalazku taniego i niewielkiego rdzenia magnetycznego 2 wykonanego ze stopu nanokrystalicznego na bazie żelaza o przenikalności magnetycznej większej niż i współczynniku proporcjonalności remanencji większym niż 0,7. [0026] Rdzeń magnetyczny 2 według wynalazku jest rdzeniem pierścieniowym wykonanym z cienkiej taśmy ze stopu amorficznego na bazie żelaza. Stop ten zawiera ponad 60% atomowych żelaza oraz 0,5 do 2% atomowych miedzi, 2 do 5% atomowych niobu, wolframu, tantalu, cyrkonu, hafnu, tytanu albo molibdenu albo przynajmniej jednego z tych metali, 5 do 14% atomowych boru oraz 14 do 17% atomowych krzemu. Rdzeń magnetyczny poddaje się obróbce cieplnej w celu uzyskania struktury nanokrystalicznej, przykładowo w temperaturze 580C w czasie 30min, a następnie obróbce cieplnej w poprzecznym polu magnetycznym przy temperaturze 380C w czasie również 30min. [0027] Na fig.2 jest przedstawiona zależność indukcji B od natężenia pola magnetycznego H. Krzywa K1 z pętlą histerezy o kształcie zbliżonym do litery Z jest wykresem dla rdzenia magnetycznego według wynalazku przy współczynniku proporcjonalności remanencji Br/Bs wynoszącym ponad 0,7. Krzywa K2 o pętli histerezy bardziej zbliżonej do okręgu jest wykresem dla dostępnego w handlu rdzenia permalojowego. Stosunek remanencji Br do indukcji nasycenia Bs jest podstawowym kryterium przy porównywaniu rdzenia według wynalazku i znanych ze stanu techniki rdzeni stosowanych w wyłącznikach różnicowo prądowych. [0028] Fig.3 przedstawia zależność przenikalności magnetycznej od natężenia 8

10 pola magnetycznego H. Krzywa K3 jest wykresem dla rdzenia magnetycznego o strukturze nanokrystalicznej według wynalazku, wykonanego ze stopu na bazie żelaza oraz krzywa K4 dla dostępnego w handlu rdzenia permalojowego. Z porównania przebiegu wykresów wynika, że przenikalność magnetyczna rdzenia według wynalazku jest znacznie większa niż w przypadku rdzenia permalojowego. Przy takim samym wykonaniu uzwojeń w celu uzyskania takiego samego napięcia indukowanego w uzwojeniu pomiarowym wyłącznika różnicowo prądowego na skutek przepływu prądu uszkodzeniowego, konieczny przekrój żelaznego nanokrystalicznego rdzenia magnetycznego jest mniejszy. [0029] Należy przy tym zwrócić uwagę, że największa wartość przenikalności magnetycznej w obu przypadkach występuje przy takiej samej w przybliżeniu wartości natężenia pola magnetycznego. Taka właściwość ułatwia łatwe zastąpienie rdzenia permalojowego rdzeniem według wynalazku. Zmiana wymiarów rdzenia nie jest przy tym konieczna, niemniej zalecana ze względu na oszczędność materiału. [0030] Widoczna na fig.4 zależność zmierzonego napięcia wyjściowego na uzwojeniu pomiarowym 7 od temperatury jest kolejną istotną właściwością wyłącznika różnicowo prądowego. Krzywa K5 jest wykresem tej zależności dla wyłącznika wyposażonego w nanokrystaliczny rdzeń magnetyczny według wynalazku, zaś krzywa K6 dla rdzenia permalojowego. Oba rdzenie wykazują wystarczającą stałość napięcia wyjściowego w wymaganym zakresie temperatury od -25C do +80C. [0031] Z przedstawionego przykładowego rozwiązania wynika, że ze względu na swoje właściwości magnetyczne rdzenie o strukturze nanokrystalicznej wykonane ze stopu na bazie żelaza mogą być z powodzeniem stosowane w 9

11 wyłącznikach różnicowo prądowych w obwodach prądu zmiennego i łatwo mogą zastępować stosowane od dziesięcioleci rdzenie permalojowe. Dzięki zastosowaniu rdzeni według wynalazku uzyskuje się również znaczącą oszczędność ciężaru, objętości i kosztów produkcji. 10

12 Zastrzeżenia patentowe 1. Wyłącznik różnicowo prądowy do prądu zmiennego z przekładnikiem prądowym sumującym, wyposażony w magnetycznie miękki rdzeń magnetyczny (2) wykonany z nanokrystalicznego stopu żelaza, w umieszczone na tym rdzeniu uzwojenia różnicowe (4, 5) i uzwojenie pomiarowe (7) oraz w połączony z uzwojeniem pomiarowym (7) element przełączający (3) znamienny tym, że maksymalna wartość przenikalności magnetycznej rdzenia magnetycznego (2) jest większa niż , zaś współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs wynosi ponad 0,7. 2. Wyłącznik różnicowo prądowy według zastrz.1 znamienny tym, że maksymalna przenikalność magnetyczne rdzenia magnetycznego (2) jest większa niż Wyłącznik różnicowo prądowy według jednego z wymienionych zastrzeżeń znamienny tym, że współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs jest większy niż 0,8. 4. Wyłącznik różnicowo prądowy według jednego z wymienionych zastrzeżeń znamienny tym, że nanokrystaliczna struktura stopu żelaza składa się w ponad 50% z drobnokrystalicznych ziarn o wielkości mniejszej niż 100nm, zaś stop żelaza składa się z ponad 60% atomowych żelaza oraz 0,5 do 2% atomowych miedzi, 2 do 5% atomowych niobu, wolframu, tantalu, cyrkonu, hafnu, tytanu albo molibdenu albo przynajmniej jednego z tych metali, 5 do 14% atomowych boru oraz 14 do 17% atomowych krzemu. 5. Wyłącznik różnicowo prądowy według jednego z wymienionych zastrzeżeń 11

13 znamienny tym, że przy określonej wartości prądu wyzwalającego uzyskuje się wysterowanie rdzenia magnetycznego (2), przy czym przenikalność magnetyczna wynosi ponad , zwłaszcza ponad Wyłącznik różnicowo prądowy według jednego z wymienionych zastrzeżeń znamienny tym, że maksymalną przenikalność magnetyczną rdzenia magnetycznego (2) uzyskuje się przy natężeniu pola magnetycznego wynoszącym od 5 do 15 ma/cm. 7. Rdzeń magnetyczny do prądowego przekładnika sumującego wyłącznika różnicowo prądowego do prądu zmiennego (1) znamienny tym, że rdzeń magnetyczny (2) jest wykonany z nanokrystalicznego stopu żelaza, przy czym maksymalna wartość przenikalności magnetycznej rdzenia magnetycznego (2) jest większa niż , zaś współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs wynosi ponad 0,7. 8. Rdzeń magnetyczny według zastrz.7 znamienny tym, że maksymalna przenikalność magnetyczna tego rdzenia jest większa niż Rdzeń magnetyczny według zastrz.7 znamienny tym, że współczynnik proporcjonalności remanencji Br/Bs dla tego rdzenia jest większy niż 0, Rdzeń magnetyczny według jednego z zastrzeżeń od 7 do 9 znamienny tym, że nanokrystaliczna struktura stopu żelaza składa się w ponad 50% z drobnokrystalicznych ziarn o wielkości mniejszej niż 100nm, zaś stop żelaza składa się z ponad 60% atomowych żelaza oraz 0,5 do 2% atomowych miedzi, 2 do 5% atomowych niobu, wolframu, tantalu, cyrkonu, hafnu, tytanu albo molibdenu albo przynajmniej jednego z tych metali, 5 do 14% atomowych boru oraz 14 do 17% atomowych krzemu. 12

14 ó

15 ł ńń ó ó ń ł Ę Ę ł Ę