專利名稱：主要用于對脈動電流敏感的失效電流斷路裝置的電流交換器和裝有這種變換器的斷路裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流變換器，主要用于對脈動電流敏感的失效電流差動斷路裝置(trip device)，其包括一個磁芯環；由被保護安裝物的有源導體形成的初級繞組；和當在該初級繞組中產生差動失效時，在其端子上建立差動失效信號的次級繞組。本發明還涉及一種斷路裝置，除了如上所述的變換器外，還包括一電流斷路裝置的斷路延遲器，其由次級連接電路連接到上述次級繞組，以便當所述信號超過預定閾值時，引起斷路。
失效電流斷路裝置用于機器和人的保護已有很多年了。對于人的保護，斷路電流可以是約30mA，而對于機器保護則在約300mA至500mA的范圍內。
然而，在過去的幾年中，越來越多具有電流整流器功能的電子裝置已被裝配在大量的電氣設備中。這些整流器功能可以產生容易影響差動裝置操作的DC分量。電子斷路裝置使用增量，尤其在家電應用中，同樣需要后者完全保證交流電流和脈動DC失效電流的安全性。對該類斷路裝置限定的極限值已由標準VDE 0664設定。滿足這種特殊需要的前述類型的斷路裝置是已知的，其中該變換器環的磁芯由為此應用設計的晶態材料制造。這些材料的主要定量特性是感應幅度^B，用于一正弦激勵電流；靜態感應增量(elevation)ΔBstat(斯達)，用于一半波整流的正弦激勵電流；以及動態感應增量ΔBdyn(達因)，用于全波整流的正弦激勵電流。
在這些斷路裝置中，已知在變換器次級繞組和延遲斷路繞組之間固定一電容器，以通過增加在延遲電平上的能量來增加該斷路裝置的靈敏度。從而由次級繞組和電容形成一振蕩電路。然后，這一振蕩電路的諧振頻率需要同由失效電流而引起的次級繞組中的電壓頻率調協。這個諧振電路的調諧通過根據電容器的預定電容值來限定次級繞組的匝數來進行，并且確定該斷路裝置的斷路條件。然而，最終設置的匝數僅表示在失效電流不同形式之間進行的一種折衷。
歐洲專利申請EP-0,563,606描述了一種用于斷路裝置的電流變換器，其允許遭到所獲得脈動電流的影響的用戶電路的安全中斷，斷路的實際執行方式與失效電流的形式無關。這個結果是由于使用由毫微晶態材料(nanocrystalline material)制造的磁芯而得到的，該材料呈現下面的磁特性對100mA/cm的場強幅度，Br/Bs＜0.3，DBdyn＞0.6T，DBdyn max＞0.7T并且DBdyn/^B＞0.7，這些磁芯以兩步取得。
并且，在這個專利中限定的磁量值在50Hz頻率上測量，然而在VDE0664中限定的脈動電流可能有高于50Hz的大幅度諧波。其結果使這種類型的斷路裝置不能很好地用于包含例如其打開角是135°的閘流管的電氣裝置之中，其400Hz諧波的幅度對該角度仍然相應于其50Hz諧波的30％。
本發明克服了這些問題，并且提出一種電流變換器和包含這種變換器的斷路裝置，其呈現出更好的靈敏度，特別是對于其打開角達到135°和更高的脈動電流。
因此，本發明的目的在于實現前述類型的電流變換器，其特征在于上述環的磁芯呈現為對大約35mAt/cm的場強幅度，在400Hz的動態感應增量和在50Hz的動態感應增量之比大于0.7。
優選地，該環的磁芯呈現為，對100mA/cm的場強幅度，剩磁比Br/Bs＜0.3，動態感應增量DB(dyn)＞0.6T，最大動態感應增量大于0.7T，并且動態感應增量和感應幅度之比ΔBdyn/^B＞0.7。
優選地，該磁芯由軟磁鐵基合金制成，該合金由包括至少50％的尺寸小于100nm的精細晶粒，此外還含有含量大于60％(含)的鐵，0.5至2％的銅，2至5％的至少下面的金屬之一鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼，和14至17％的硅。
根據一個特定實施例，該環的磁芯由毫微晶態材料制造。
根據另一實施例，該環的磁芯由非晶態材料制成。
本發明的目的還在于實現失效電流的斷路裝置，其包括變換器，其具有單獨或組合的前述特性；斷路延遲器；和次級電路，其將延遲器連接至變換器，這個斷路裝置的特征在于，上述次級電路包含一與次級繞組串聯連接的電容器。
根據另一個實施例，次級電路包括一全波整流器。
優選地，該整流器包含兩個二極管，其分別將次級繞組的兩端連接到延遲器線圈的端子之一，延遲器線圈的另一端子連接至次級繞組的中點。
根據另一實施例，該整流器包含二極管橋，其將次級繞組的兩端分別連接到延遲器線圈的兩端。
優選地，次級電路此外還包括存貯電容器和連接至存貯電容器的比較裝置，并且包括連接至延遲器的控制裝置的監視輸出端，以便如果電容器電壓值大于預定閾值則提供一斷路信號。
優選地，比較裝置包括一比較器或者一電壓閾值二極管。
延遲器的控制裝置最好包括一閘流管。
通過參照僅作為示例的附圖的如下描述，本發明的其它優點和特征將變得更清楚，附圖中
圖1是解釋對0°打開角的脈動電流信號的分解的圖形表示(以mA為單位的電流均方值，對應于以Hz為單位的頻率)；圖2描述對90°打開角的脈動電流的分解；圖3描述對135°打開角的脈動電流的分解；圖4是描述對34mAT/cm峰值場強幅度的動態感應增量(相應于50Hz)對應頻率(Hz)的圖形表示；和圖5、6、7和8圖示出本發明斷路裝置的4個不同實施例。
在圖5、6、7和8中，四個實施例可看成一個根據本發明的斷路裝置D，其被設計成插入或者連接到一個電氣電路斷路器(未示出)，該斷路器用于切斷提供給一被保護電氣安裝物的有源導體。這個斷路裝置D對于4個實施例共同包括差動變換器1，由一磁芯環2形成，磁芯環2包括由通過環2的有源導體形成的初級繞組(未示出)，和通過次級連接電路5連接至極化型觸發延遲器4的線圈的次級繞組。斷路裝置的次級電路5，如圖5所示，由串聯至變換器1的次級繞組3的電容器8和極化延遲器4形成。在圖6所述的斷路裝置的第二實施例中，次級電路5包括兩個二極管6、7，其輸入端分別連接至次級線圈3的兩個端子，并且其輸出端連接至觸發延遲器4的正極，而延遲器4的負極連接至次級繞組3的中點3a。
在圖7所示的實施例中，次級電路包括二極管橋P，其包括四個二極管9至12。
在圖8所示的實施例中，次級電路5包括調諧電容器13，其與環2的次級繞組3及整流橋P并聯，它們的輸出端并聯至存貯電容器14，存貯電容器14與串聯安裝的延遲器4和閘流管15以及包括連接至閘流管15的控制輸出端的閾值電路16并聯連接。
根據前三個實施例，當傳遞到延遲器4線圈的失效信號在初級繞組中出現失效電流時超過預定斷路閾值時，斷路延遲器4命令電路斷路器的斷路。在第四個實施例中，當在存貯電容器14端子的電壓超過某一閾值時，閾值電路16經由閘流管向延遲器14提供一斷路信號。可以注意到斷路延遲器14最好是使用單半波信號或全波的極化型。在第一實施例中，電容器8的用途是與檢測器環2和斷路延遲器4的電感組成一整形濾波器。電容器的值由通常的計算與決定濾波器的方法來確定；這考慮了次級繞組3和線圈4的匝數以及實現環2的設計的磁性材料。對用于由環2發送的失效信號的這種整形濾波器的利用使得在AC、在半波或全波整流后的失效電流等操作條件下使保護器件保持相同的斷路閾值。在圖6、7和8所示的實施例中，脈動電流閾值被由整流器(兩個二極管或二極管橋)整流成對稱。
參照圖1、2和3，能觀測到對于分別為α＝0°、90°和135°不同打開角(α)的A類信號的分解(42mA RMS 50Hz)。從而可看到，對0°和90°的打開角(圖1和圖2)，脈動電流具有大于50Hz的小振幅諧波。另一方面可看到，對135°的打開角(圖3)，這可以是分段(gradation)閘流管的情況，脈動電流可具有大振幅諧波。在這個圖3中，在事實上可看到對α＝135°，400Hz諧波的振幅還相當于基波振幅的30％。
根據本發明，變換器1的環2的磁芯呈現為對約35mA/cm的場強幅度，400Hz的動態感應增量和50Hz的動態感應增量之比大于0.7。由于該芯的磁特性，可觀察到在A類中的操作改善，也就是說，對脈動電流的觸發閾值的下降至少達到這個135°角。也可以注意到，對α＝135°閾值的減少將為約15％。
參照圖4，可看到對于其曲線(a)表示相應于50Hz的ΔBdyn和頻率之間的關系的一種毫微晶態材料，這種特性可被驗證。而另一方面可以看到，對其相同曲線用(b)表示的晶態材料未被驗證。
因此，毫微晶態材料將優先使用。優選地，這一磁芯可由軟磁鐵基合金形成，由該合金至少由50％的尺寸小于100nm的晶粒制成，并且包含下面的原子含量除含量大于60％的鐵外，還有0.5至2％的銅，2至5％的至少下述金屬之一，鈮、鎢、鉭、鋯、鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼和14至17％的硅。
當這個變換器1用于圖5所述類型的斷路裝置D時，額外的磁特性將有利于獲得對脈動電流失效的大的靈敏度和固定的斷路閾值，其特性如下對H＝100mA/cm，剩磁比Br/Bs＜0.3，DByn＞0.6T，DByn max＞0.7T并且DByn/^B＞0.7。
這些磁量可通過在一個由液浸(dipping)(非晶態合金條迅速冷卻)而獲得的磁性條帶上進行兩個相續的熱處理而獲得。第一熱處理包括一利用縱向磁場(沿該帶的方向)的毫微晶化處理，而第二處理將在橫向場下進行。
當本發明的變換器1用于根據圖6、7和8的斷路裝置D時，同樣的特性可以用低磁特性獲得，主要為DByn(100mAt/cm)＜0.6T，DByn max＜0.7T和DByn/^B＜0.7。
根據本發明的另一個實施例，磁環可由非晶態材料制造，由于這種類型的材料不呈現高磁損耗，該磁芯的適當處理得到與本發明相符的合適的磁特性，即，對H＝35mAt/cm，DByn(400Hz)/DByn(50Hz)＞0.7。
從而，電流變換器和失效電流斷路裝置，其特別當與具有打開角能達到135°或更大的電氣設備一起使用時呈現出對脈動電流改善的靈敏度(更低的斷路閾值)，已由本發明的方法實現。
當然，本發明不局限于作為示例而描述和解釋的實施例。
因此，本發明也應用于具有不同的次級電路例如包括并聯安裝的電容器、齊納二極管等的斷路裝置。
反之，本發明包括根據本發明的精神制造的所描述裝置的全部技術等同物以及它們的組合。
權利要求
1.一種電流變換器，主要用于對脈沖形電流敏感的差動斷路裝置，其包括一磁芯環；由被保護電氣安裝物的有源導體形成的初級繞組；和當在該初級繞組中產生差動失效電流時在其端子上建立差動失效信號的次級繞組，上述次級繞組被設計成通過次級連接電路與一個電流斷路裝置的斷路延遲器相連，以便當所述信號超過一預定閾值時引起斷路，其特征在于，上述的環(2)的磁芯呈現為對約35mAt/cm的場強幅度，在400Hz處的動態感應增量ΔB和在50Hz處的動態感應增量ΔBdyn之比大于0.7。
2.如權利要求1所述的電流變換器，其特征在于，環(2)的磁芯呈現出對100mA/cm的場強幅度，剩磁比Br/Bs＜0.3，動態感應增量ΔB(dyn)＞0.6T，最大動態感應增量ΔBdyn max大于0.7T，并且動態感應增量和感應幅度之比ΔBdvn/^B＞0.7。
3.如權利要求1或2所述的電流變換器，其特征在于，磁芯由軟磁鐵基合金制造，該合金由多于50％的尺寸小于100nm的精細晶粒制成，并且除含量大于60％(含)的鐵之外還包括0.5至2％的銅，2至5％的至少下述金屬之一鈮、鎢、鉭、鋯，鉿、鈦和/或鉬，5至14％的硼，和14至17％的硅。
4.如上述權利要求的任意之一所述的電流變換器，其特征在于，環(2)的磁芯由毫微晶態材料制成。
5.如權利要求1所述的電流變換器，其特征在于，環(2)的磁芯由非晶態材料制成。
6.一種失效電流斷路裝置，其包括根據權利要求1至5任意之一的變換器(1)、斷路延遲器(4)和將所述延遲器(4)連接至變換器(1)的次級電路(5)，其特征在于，上述次級電路(5)包括與次級繞組(3)串聯的電容器(8)。
7.一種失效電流斷路裝置，其包括根據權利要求1至5任意之一的變換器(1)、觸發延遲器(4)和將所述延遲器(4)連接至變換器(1)的次級電路(5)，其特征在于，上述次級電路(5)包含全波整流器(6、7；9至12)。
8.如權利要求7所述的斷路裝置，其特征在于，上述整流器包括兩個二極管(6，7)，其分別將次級繞組(3)的兩個端子連接至延遲器(4)線圈的端子之一，其另一端子連接至次級繞組(3)的中點(3a)。
9.如權利要求7所述的斷路裝置，其特征在于，上述整流器包含二極管橋P，其將次級繞組(3)的兩個端子分別連接至延遲器(4)的線圈的兩個端子。
10.如權利要求6至9任意之一所述的斷路裝置，其特征在于，次級電路(5)還包括存貯電容器(14)；和比較裝置(16)，其連接至存貯電容器(14)，并且包括一連接到延遲器(4)的控制裝置(15)的監視輸出端，以便如果電容器(14)的電壓值大于一預定閾值向延遲器(4)的提供一斷路信號。
11.如權利要求10所述的斷路裝置，其特征在于，比較裝置(16)包括一比較器。
12.如權利要求10所述的斷路裝置，其特征在于，比較裝置(16)包括一電壓閾值二極管。
13.如權利要求10至12任意之一所述的斷路裝置，其特征在于，延遲器(4)的控制裝置包括閘流管(15)。
全文摘要
本發明涉及一種電流變換器(1),其主要包括具有磁芯的環(2);初級繞組,其由被保護電氣安裝物的有源導體形成;和次級繞組(3),當在初級繞組中產生差動失效時,在其端子上產生一差動失效信號。變換器(1)的特征在于,該環的磁芯具有:對約35mAt/cm的場強幅度,在400Hz處的動態感應增量和在50Hz處的動態感應增量之比大于0.7。斷路裝置(D)包括:上述類型的變換器(1);觸發延遲器(4);和將延遲器(4)連接至變換器(1)的次級電路(5)。次級電路(5)包括與次級繞組(3)串聯的電容器(8)或者全波整流器(6、7)。
文檔編號H01F1/153GK1185857SQ9619418
公開日1998年6月24日 申請日期1996年4月18日 優先權日1995年4月18日
發明者米歇爾·班尼奧, 馬克·波珀特 申請人:施耐德電器公司