Elektrische Schutzeinrichtung und Steuerungsverfahren der elektrischen Schutzeinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung zur Anordnung zwischen zumindest einem Verbraucher und einer Stromversorgung, wobei diese Schutzeinrichtung eine Strombegrezungs- und eine Abschaltfunktion aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren der elektrischen Schutzeinrichtung.
Elektrische Schutzeinrichtungen finden überall dort Anwendung, wo Störfälle innerhalb einer elektrischen Anlage zu einer Gefährdung von Mensch und/oder Maschine führen können. Insbesondere bei der Versorgung eines Verbrauchers oder mehrerer Verbrauchern mittels einer Stromversorgung bedarf es einer elektrischen Schutzeinrichtung. Diese wird zwischen die Stromversorgung und den bzw. die Verbraucher angeordnet, um bei einer Störung den Strom durch den bzw. die Verbraucher zu reduzieren und bei fortdauernder Störung abzuschalten.
Vor allem bei Stromversorgungen zur Versorgung mehrerer Lastzweige ist es sinnvoll, jeden Lastzweig mit einer elektrischen Schutzeinrichtung abzusichern. Kommt es in einem Lastzweig zu einer Störung, wird dieser strombegrenzt oder abgeschaltet, ohne die Versorgung der übrigen Lastzweige zu gefährden. Ohne eine solche Schutzvorkehrung belastet ein fehlerhafter Lastzweig die Stromversorgung über den vorgesehenen Laststrom hinaus. Die Stromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, geht dann gegebenenfalls selbst in einen strombegrenzenden Modus über und schaltet bei fortdauernder Störung ab. Alle Lastzweige sind dann stromlos. Dasselbe geschieht, wenn die Lasten am Ausgang der
Stromversorgung jeweils mittels eines vorgeschalteten, mechanischen Leitungsschutzschalters abgesichert sind, da ein solcher einen deutlichen Überstrom benötigt, um auszulösen. Diesen Überstrom kann die Stromversorgung oft nicht mehr zusätzlich zur Versorgung der restlichen Lasten liefern.
Die Art der Anwendung der gattungsgemässen elektrischen Schutzeinrichtungen bringt es mit sich, dass diese mit unterschiedlichen als Auslösegrenzen vorgegebenen Stromgrenzwerten vorliegen müssen. Insbesondere bei Industrieanlagen ist es die Regel, dass mittels einer Stromversorgung mehrere Lastzweige unterschiedlicher Leistung versorgt werden. Jeder Lastzweig umfasst somit eine elektrische Schutzeinrichtung mit einem jeweils unterschiedlichen Stromgrenzwert. Es kommt bei Industrieanlagen auch vor, dass nur ein Lastzweig vorliegt, der infolge geänderter Produktionsbedingungen einmal mehr und einmal weniger Verbraucher umfasst. Auch in einem solchen Fall müssen elektrische Schutzeinrichtungen mit unterschiedlichen Stromgrenzwerten zum Einsatz kommen.
Aus der WO 01/41277 A2 und der EP 0933849 AI kennt man beispielsweise eine elektrische Schutzeinrichtung für Stromversorgungen mit mehreren Lastzweigen. Dabei wird für jeden Lastzweig in die Verbindungsleitung zwischen der Stromversorgung und der Last ein Halbleiterschalter mit Einstellmöglichkeit, ein Strommesselement und eine Auswertebzw. Regelelektronik in Form von Operationsverstärkern geschaltet. Die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Halbleiterschalters ist auf einen definierten Nennstrom ausgelegt. Bei einem Anschluss kleinerer Verbraucher wird die Auslösegrenze auf einen geringeren Wert als dieser Nennstrom eingestellt. Dadurch kommt es oft zu dem unerwünschten Fall, dass die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Halbleiterschalters und der jeweiligen Ansteuerschaltung nicht ausgenützt wird.
Eine solche Lösung führt also in der Regel zu einer Überdimensionierung der elektrischen Schutzeinrichtung mit einer schlechten Kosten-NutzenRelation. Nach dem Stand der Technik kennt man deshalb auch elektrische Schutzeinrichtungen, die für einzelne Lastzweige vorgesehen sind. Dabei wird eine Überdimensionierung verhindert, indem Produktreihen mit feinen Nennstrom-Abstufungen angeboten werden. In jeden Lastzweig wird somit die entsprechende elektrische Schutzeinrichtung mit dem benötigten Nennstrom geschaltet. Nachteilig ist hier ein erforderlicher hoher Lagerhaltungsaufwand .
Eine weitere bekannte elektrische Absicherung sieht vor, dass in jedem Lastzweig ein Tiefsetzsteiler angeordnet ist, welcher im Normalbetrieb durchschaltet und nur im Störfall in einem Strombegrenzungsmode taktet. Die AT 504 528 A beschreibt eine solche Lösung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine elektrische Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche 1 und 9 und durch vorteilhafte Ausprägungen gemäss den Unteransprüchen.
Dabei ist die Schutzeinrichtung aus mehreren strombegrenzenden bzw. abschaltenden Schutzelementen gebildet, wobei deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Auf diese Weise ist eine einfache Massnahme angegeben, einen Lastzweig oder mehrere Lastzweige mit dem jeweils erforderlichen Stromgrenzwert abzusichern. Der jeweilige Stromgrenzwert ergibt sich dabei aus der Summe der Teilstromgrenzwerte der ausgangsseitig parallel geschalteten Schutzelemente .
Eine erfindungsgemässe Schutzeinrichtung umfasst dabei beispielsweise eine wählbare Anzahl an Schutzelementen, die in Summe den für eine angeschlossene Last erforderlichen Absicherungsschutz bewirken, ohne dabei überdimensioniert zu sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Schutzeinrichtung in mehrere Schutzeinrichtungsblöcke zu unterteilen, um auf diese Weise mehrere getrennte, parallel arbeitende Sicherungskanäle für verschiedene Lasten bzw. Lastzweige zu schaffen. Dabei werden für unterschiedliche Lasten unterschiedlich viele Schutzelemente ausgangsseitig miteinander verbunden. Die jeweils miteinander verbundene**Schutzelemente bilden einen Block mit dem erforderlichen Absicherungsschutz für die jeweils angeschlossene Last.
Das entsprechende Steuerungsverfahren sieht vor, dass ein Schutzelement bei Erreichung eines zugeordneten vorgegebenen Teilstromgrenzwertes den Strom durch das Schutzelement begrenzt, bis ein kritischer Parameter des Schutzelements einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet und das Schutzelement abschaltet. Der Laststrom durch die parallel geschalteten Schutzelemente teilt sich somit im Normalbetrieb immer so auf, dass durch keines der Schutzelemente ein Strom grösser dem Teilstromgrenzwert fliesst. Bei Erreichung eines Teilstromgrenzwertes eines Schutzelements wird der Strom durch dieses Schutzelement reduziert. Im gleichen Ausmass steigt der Strom durch die übrigen parallel zu diesem Schutzelement geschalteten Schutzelemente. Auf diese Weise werden Toleranzen der einzelnen Schutzelemente ausgeglichen.
Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass jedes Schutzelement einen fixen Teilstromgrenzwert aufweist, sodass die Schutzelemente einfach aufgebaut und daher billig in der Herstellung sind.
Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Stromgrenzwert der Schutzeinrichtung oder eines Schutzeinrichtungsblocks als Summe gleich grosser Teilstromgrenzwerte der parallel geschalteten Schutzelemente gebildet ist. Somit werden mittels baugleicher Schutzelemente unterschiedliche Schutzeinrichtungen bzw. Schutzeinrichtungsblöcke mit wählbar abgestuften Stromgrenzwerten zusammengesetzt. Mit nur einer Schutzelementausführung sind Lastzweige mit unterschiedlichsten Leistungen absicherbar, ohne dass eine Überdimensionierung der Schutzeinrichtung auftritt.
Eine einfache Ausführung ist in der Weise ausgeführt, dass die Schutzelemente der Schutzeinrichtung ausgangsseitig mittels eines Verbindungskamms verbunden sind. Eine aufwendige Verdrahtung in einem Schaltkasten entfällt somit.
Vorteilhafterweise ist der Verbindungskamm mit den Ausgängen der Schutzelemente verlötet, sodass eine sichere und berechenbare Kontaktierung zwischen den einzelnen Ausgängen der Schutzelemente gegeben ist.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Verbindungskamm zwischen den Schutzelementen jeweils zumindest eine manuell trennbare Trennstelle, insbesondere eine Sollbruchstelle, aufweist. Die Schutzeinrichtung umfasst dabei eine vorwählbare Anzahl an Schutzelementen, die ausgangsseitig bereits verbunden sind. Im Zuge einer Installation wird die Schutzeinrichtung je nach Bedarf in mehrere
Schutzeinrichtungsblöcke aufgeteilt, indem eine Unterbrechung einer Verbindung oder mehrerer Verbindungen zwischen jeweils zwei Schutzelementen erfolgt. Dabei umfasst jede der resultierenden Schutzeinrichtungsblöcke die Anzahl an Schutzelementen, die zur Absicherung eines angeschlossenen Lastzweigs erforderlich sind.
In einer günstigen Variante weist der Verbindungskamm zwischen den Schutzelementen jeweils ein sperrig geformtes Trennstück auf, welches manuell aus dem Verbindungskamm heraustrennbar ist. Das Trennstück wird zur Trennung des Kamms herausgelöst, wobei die sperrige Form bewirkt, dass das Trennstück nicht versehentlich durch Lüftungsschlitze in ein naheliegenden Gerätegehäuses fällt. Zudem ist es günstig, unterhalb einer Trennstelle bzw. eines Trennstücks eine Markierung vorzusehen, die eine Kammtrennung anzeigt, indem die Markierung nach einem Trennvorgang sichtbar wird.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Schutzeinrichtung in die Stromversorgung eingebaut ist. Damit wird die Installation insbesondere in einem Schaltkasten zusätzlich vereinfacht .
In einer Ausprägung der Erfindung umfasst jedes Schutzelement eine Ansteuerungseinheit und ein Strombegrenzungselement mit einem variablen Durchgangswiderstand. Dabei ist der Durchgangswiderstand mittels der Ansteuerungseinheit in Abhängigkeit des durch das Strombegrenzungselement fliessenden Stromes bestimmt. Die Steuerung erfolgt dann beispielsweise in der Form, dass der Durchleitkanal eines an den Teilstromgrenzwert angelangten Schutzelements geringfügig hochohmiger wird. Dabei baut das abregelnde Schutzelement nur soviel mehr Widerstand auf, dass die Toleranzen der Schutzelemente kompensiert werden.
In einer Weiterentwicklung des Steuerungsverfahrens ist vorgesehen, dass an jedem Ausgang eines Schutzelements die Spannung erfasst wird und dass bei Erreichung eines vorgegebenen Spannungsabfallwertes das betreffende Schutzelement den Strom durch das Schutzelement für eine vorgegebene Begrenzungszeitspanne begrenzt und dass das Schutzelement nach einem Ablauf der Begrenzungszeitspanne abschaltet. Ein Zeitglied wird also erst nach einem eindeutigen Abfall der Spannung am Ausgang aller parallel geschalteter Schutzelemente gestartet, sodass geringfügige Störungen oder eine ungleichmässige Verteilung des Laststromes nicht zur Abschaltung führen.
Dabei ist es des Weiteren von Vorteil, wenn nach einer Abschaltung alle Schutzelemente zurückgesetzt werden, sobald eine vorgegebene Ausschaltzeitspanne abgelaufen ist und/oder ein kritischer Parameter des jeweiligen Schutzelements unterhalb eines vorgegebenen Einschaltwertes fällt. Es werden beispielsweise alle Zeitglieder zurückgesetzt, sodass alle Schutzelemente unabhängig vom momentanen Schaltzustand wieder denselben Ausgangszustand annehmen. Dadurch können beliebige Schutzelementausgänge miteinander verschaltet und über einen gemeinsamen Reset wieder aktiviert werden.
Als kritischer Parameter wird günstigerweise eine
Chiptemperatur des jeweiligen Schutzelements erfasst. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Schutzeinrichtung bzw. ein betreffender Schutzeinrichtungsblock erst dann abschaltet, wenn die thermische Belastung infolge eines Abregelvorgangs zu gross wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schaltungsaufbau einer Schutzeinrichtung mit zwei Verbraucherzweigen
Fig. 2 Verbindungskamm mit Trennstellen
In Fig. 1 ist eine Schutzeinrichtung SCH mit mehreren
Schutzelementen El...En dargestellt. Dabei sind die ersten drei Schutzelemente El, E2, E3 zu einem ersten Schutzeinrichtungsblock Bll und die restlichen Schutzelemente E4...En zu einem zweiten Schutzeinrichtungsblock B12 zusammengefasst. Ein erster Verbraucher bzw. Verbraucherzweig VI ist über den ersten Schutzeinrichtungsblock Bll und ein zweiter Verbraucher bzw. Verbraucherzweig V2 ist über den zweiten Schutzeinrichtungsblock B12 an eine Speisespannung U einer Stromversorgung angeschlossen.
Jedes Schutzelement El...En umfasst ein Strombegrenzungselement Tl...Tn und eine Stromerfassungseinheit II... In. Das jeweilige Strombegrenzungselement Tl...Tn ist beispielsweise als Transistor und die jeweilige Stromerfassungseinheit II... In als Stromwandler ausgebildet. Mittels einer jeweiligen Ansteuerungseinheit AI...An wird der Stromfluss durch das Strombegrenzungselement Tl...Tn in Abhängigkeit des jeweils erfassten Stromes gesteuert. Jeder Ansteuerungseinheit AI...An ist ein Teilstromgrenzwert vorgegeben. Die Teilstromgrenzwerte der jeweils ausgangsseitig verbundenen Schutzelemente El, E2, E3 bzw. E4...En ergeben in Summe den Stromgrenzwert des jeweiligen Blocks Bll bzw. B12. Die Ansteuerungseinheiten AI...An sind entweder analog aufgebaut oder als Mikrocontroller ausgebildet.
Jedem Strombegrenzungselement Tl...Tn ist eine weitere
Sicherung Sl...Sn aus Brandschutzgründen vorgeschaltet. Dabei handelt es sich entweder um eine Schmelzsicherung oder um einen Leitungsschutzschalter.
Die Funktionsweise der Schutzeinrichtung SCH wird anhand des ersten Schutzeinrichtungsblocks Bll erläutert. Der Verbraucher bzw. Verbraucherzweig VI ist an eine Ausgangsklemme Kll des Blocks Bll angeschlossen. Die beiden anderen Ausgangsklemmen K12, K13 bleiben frei, wenn die ausgangsseitige Verbindung mittels eines Verbindungskamms Ka erfolgt. Dabei verbindet ein erster Verbindungskammabschnitt Kai die Ausgänge des ersten Blocks Bll und ein zweiter Verbindungskammabschnitt Ka2 die Ausgänge des zweiten Blocks B12. Alternativ dazu kann eine ausgangsseitige Verbindung über die entsprechenden Klemmen Kll, K12, K13 bzw. K14...Kln mittels Drahtbrücken erfolgen.
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Im Falle einer Verbindung mittels Verbindungskamm Ka muss jede Ausgangsklemme Kll...Kln für den maximal möglichen Stromgrenzwert ausgelegt sein. Im Normalbetrieb wird der vom Verbraucher bzw. Verbraucherzweig VI gezogene Laststrom den Stromgrenzwert des Blocks Bll nicht erreichen. Der Laststrom teilt sich dann entsprechend den Durchgangswiderständen auf die drei Schutzelemente El, E2, E3 auf. Toleranzen können dazu führen, dass dabei ein Schutzelement El bzw. E2 bzw. E3 seinen Teilstromgrenzwert erreicht. Die betreffende Ansteuerungseinheit AI bzw. A2 bzw. A3 regelt dann den durch dieses Schutzelement El bzw. E2 bzw. E3 fliessenden Strom zurück, sodass entsprechend mehr Strom durch die anderen beiden Schutzelemente El, E2 bzw. E2, E3 bzw. El, E3 fliesst.
Um bei einer solchen unterschiedlichen Leistungsaufteilung der einzelnen Schutzelemente El, E2, E3 die maximal zur Verfügung stehende Leistungsfähigkeit der Strombegrenzungselemente Tl, T2, T3 zu nutzen, wird die Chiptemperatur des jeweiligen Strombegrenzungselements Tl, T2, T3 herangezogen. Ist die maximale Chiptemperatur eines Schutzelements El bzw. E2 bzw. E3 erreicht, schaltet dieses ab. Die parallel geschalteten Schutzelemente El, E2 bzw. E2, E3 bzw. El, E3 müssen infolgedessen die Überlast übernehmen. Bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Chiptemperatur schalten auch diese ab.
Als Alternative zur Chiptemperaturerfassung werden Überlasten nur für die Dauer einer vorgegebenen Zeitspanne zugelassen. Dabei kann ein Zeitglied erst nach einem eindeutigen Abfall der Spannung am Ausgang der parallel geschalteten Schutzeinheiten El, E2, E3 gestartet werden. In diesem Fall ist mittels einer übergeordneten Steuereinheit eine sequentielle Abtastung der einzelnen SchutzelementAusgangsspannungen durchzuführen, da dieser Steuereinheit nicht bekannt ist, welche Schutzeinheiten El...En parallel geschaltet sind. Aus den Ausgangsspannungen wird auf die thermische Belastung der Strombegrenzungselemente Tl, T2, T3 geschlossen .
Erst danach wird nach Ablauf einer festgelegten aktiven Begrenzungszeit, bei der die Lastspannung bereits aktiv reduziert wird, der betreffende Block Bll abgeschaltet, indem z.B. mittels der übergeordneten Steuereinheit an die Ansteuerungseinheiten AI, A2, A3 ein Abschaltsignal übermittelt wird. Bei einem nachfolgenden Einschaltvorgang sind Auskühlzeiten zur Begrenzung der Bauteiltemperaturen zu berücksichtigen. Dabei werden beispielsweise mittels eines manuell ausgelösten Resets alle Zeitglieder zurückgesetzt. Die Rücksetzung ist so lange gesperrt, bis entweder eine vorgegebene Ausschaltzeit abgelaufen ist oder ein kritischer Parameter unter einen vorgegebenen Einschaltwert fällt.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der Spannungsabfall am jeweiligen Strombegrenzungselement ^f, T2, T3 detektiert wird.
Bei der Vorgabe bestimmter Zeitspannen für eine Strombegrenzung kann zusätzlich die Umgebungstemperatur erfasst werden. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen verlängert sich die zulässige Belastungsdauer. Bei der Erfassung der jeweiligen Chiptemperatur ist hingegen die Umgebungstemperatur bereits mit berücksichtigt.
Für eine gesicherte und berechenbare Verbindung an den Ausgängen der Schutzelemente El...En ist es sinnvoll, einen Verbindungskamm Ka vorzusehen. Ein solcher ist in Fig. 2 dargestellt und wird mittels entsprechender Anschlüsse mit den Ausgängen der Schutzelemente (El...En) elektrisch leitend verbunden. Günstigerweise geschieht dies durch Einlöten entsprechender Lötfahnen in eine Leiterplatte LP. Jede Lötfahne ist dabei mit einem Schutzelementausgang verbunden. Mit einem solchen Verbindungskamm Ka bestehen zwischen den einzelnen Schutzelementen El...En entsprechend grosse Leitungsquerschnitte, sodass eine grosse Anzahl an Schutzelementen El...En parallel schaltbar ist.
Zudem reduziert sich der Installationsaufwand erheblich, insbesondere dann, wenn zwischen den Schutzelementen El...En manuell trennbare Trennstellen Br vorgesehen sind, vorzugsweise als Sollbruchstellen ausgebildet. Entsprechend den anzuschliessenden Verbrauchern bzw. Verbraucherzweigen VI, V2 wird der Verbindungskamm Ka an einer solchen Trennstelle Br unterbrochen, sodass der Verbindungskamm Ka in mehrere Verbindungskammabschnitte Kai, Ka2 aufgeteilt ist.
Dazu weist der Verbindungskamm Ka beispielsweise Trennstücke TS auf, die es erlauben, im Bereich der Trennstellen Br ein Drehmoment einzuleiten. Durch mehrmaliges verwinden des betreffenden Trennstückes TS kommt es im Bereich dieser Trennstellen Br zu einer Kaltverfestigungen und in weiterer Folge zu einem gewünschten Bruch beidseits des Trennstücks TS . Es ist auch möglich, die Trennstücke TS nur als abzwickbare Teile auszuführen. Es ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Trennstücke TS eine entsprechende Grösse aufweisen, damit sie nicht versehentlich durch Luftschlitze eines Gerätegehäuses fallen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Trennstücke TS im Vergleich zum sonstigen Leitungsquerschnitt entweder als grössere flache Teile oder als grössere gebogene Teile ausgebildet sind. Der Verbindungskamm Ka kann zudem eine färbige Markierung abdecken.
Diese wird beim Herausbrechen eines Trennstücks TS freigegeben um eindeutig anzuzeigen, welche Schutzelemente El...En miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt sind.
Bei einer solchen Ausführung ist sicherzustellen, dass der Verbindungskamm nur dann zugänglich ist, wenn die
Schutzeinrichtung spannungsfrei ist. Dazu ist beispielsweise eine Abdeckung vorzusehen, die nur bei abgeschalteter Schutzeinrichtung zu öffnen ist. Als Alternative ist der Verbindungskamm partiell isoliert ausgeführt.
Electrical protective device and control method of the electrical protective device
description
The invention relates to an electrical protective device for the arrangement between at least one consumer and a power supply, wherein this protective device has a Strombegrezungs- and a shutdown function. Furthermore, the invention relates to a control method of the electrical protective device.
Electrical protective devices are used wherever accidents within an electrical system can endanger people and / or machines. In particular, in the supply of a consumer or more consumers by means of a power supply, it requires an electrical protection device. This is arranged between the power supply and the consumer (s) to reduce the current through the consumer (s) in the event of a fault and to shut it off if the fault persists.
Especially with power supplies to supply multiple load branches, it makes sense to secure each load branch with an electrical protective device. If a fault occurs in a load branch, it is current-limited or switched off, without jeopardizing the supply of the remaining load branches. Without such a protective device, a faulty load branch loads the power supply beyond the intended load current. The power supply, in particular a switched-mode power supply, then optionally transitions itself into a current-limiting mode and switches off when the fault persists. All load branches are then de-energized. The same thing happens when the loads at the output of the
Power supply are each protected by means of an upstream, mechanical circuit breaker, as such requires a significant overcurrent to trip. This overcurrent can often no longer supply the power supply in addition to the supply of the remaining loads.
The nature of the application of the generic electrical protective devices entails that they must be present with different current limit values predetermined as tripping limits. In particular, in industrial plants, it is the rule that several load branches of different power are supplied by means of a power supply. Each load branch thus comprises an electrical protection device with a respective different current limit value. It also happens in industrial plants that there is only one load branch which, as a result of changed production conditions, comprises once more and once fewer consumers. Even in such a case, electrical protective devices with different current limits must be used.
From WO 01/41277 A2 and EP 0933849 AI is known, for example, an electrical protective device for power supplies with multiple load branches. It is for each load branch in the connecting line between the power supply and the load, a semiconductor switch with adjustment, a current measuring element and a Auswertebzw. Control electronics switched in the form of operational amplifiers. The performance of each semiconductor switch is designed for a defined nominal current. When smaller consumers are connected, the tripping limit is set to a lower value than this rated current. This often leads to the undesirable case that the performance of the respective semiconductor switch and the respective drive circuit is not utilized.
Such a solution thus usually leads to over-dimensioning of the electrical protective device with a poor cost-benefit ratio. Therefore, according to the prior art, electrical protective devices are known which are provided for individual load branches. This overdimensioning is prevented by product lines are offered with fine rated current gradations. In each load branch thus the corresponding electrical protection device is switched with the required rated current. The disadvantage here is a required high storage costs.
Another known electrical protection provides that in each load branch a buck converter is arranged, which switches through in normal operation and only in case of failure in a current limiting mode clocks. AT 504 528 A describes such a solution.
The invention has for its object to provide an improvement over the prior art for an electrical protective device of the type mentioned.
According to the invention this object is achieved by the independent claims 1 and 9 and by advantageous developments according to the subclaims.
In this case, the protective device is formed from a plurality of current-limiting or disconnecting protective elements, the outputs of which are connected in parallel. In this way, a simple measure is specified to protect a load branch or multiple load branches with the respective required current limit. The respective current limit results from the sum of the partial current limits of the protective elements connected in parallel on the output side.
In this case, a protective device according to the invention comprises, for example, a selectable number of protective elements, which together cause the protection required for a connected load, without being oversized. It is also possible to subdivide the protective device into several protective device blocks in order to create several separate, parallel-working safety channels for different loads or load branches. Different levels of protection elements are connected together on the output side for different loads. The respective interconnected ** protective elements form a block with the required protection against the respective connected load.
The corresponding control method provides that a protective element, upon reaching an assigned predetermined partial current limit value, limits the current through the protective element until a critical parameter of the protective element exceeds a predetermined maximum value and shuts off the protective element. The load current through the protective elements connected in parallel thus always divides in normal operation so that no current flows greater than the partial current limit value due to any of the protective elements. Upon reaching a partial current limit of a protective element, the current is reduced by this protective element. To the same extent, the current increases through the other protective elements connected in parallel with this protective element. In this way, tolerances of the individual protection elements are compensated.
An advantageous embodiment of the invention provides that each protective element has a fixed partial current limit, so that the protective elements are simple in construction and therefore inexpensive to manufacture.
It is advantageous if a current limit value of the protective device or of a protective device block is formed as the sum of equally large partial current limit values of the parallel-connected protective elements. Thus, different protective devices or protective device blocks are combined with selectable graded current limits by means of identical protection elements. With only one protective element design, load branches with a wide variety of powers can be protected without overdimensioning the protective device.
A simple embodiment is carried out in such a way that the protective elements of the protective device are connected on the output side by means of a connecting comb. A complex wiring in a control box is thus eliminated.
Advantageously, the connecting comb is soldered to the outputs of the protective elements, so that a secure and predictable contact between the individual outputs of the protective elements is given.
Furthermore, it is advantageous if the connecting comb between the protective elements has at least one manually separable separation point, in particular a predetermined breaking point. The protective device comprises a preselectable number of protective elements, which are already connected on the output side. As part of an installation, the protective device is divided into several as needed
Splits guard blocks by breaking one or more connections between any two protection elements. Each of the resulting protector blocks comprises the number of protective elements required to protect a connected load branch.
In a favorable variant of the connecting comb between the protective elements in each case a bulky shaped separator, which is manually herausschennbar from the comb. The separator is released to separate the comb, the bulky shape causing the separator to not accidentally fall through vents in a nearby device housing. In addition, it is favorable to provide below a separation point or a separating piece a mark indicating a comb separation by the mark is visible after a separation process.
Another embodiment provides that the protective device is installed in the power supply. This simplifies the installation, especially in a control box.
In one embodiment of the invention, each protective element comprises a drive unit and a current limiting element with a variable volume resistance. In this case, the volume resistance is determined by means of the drive unit as a function of the current flowing through the current limiting element. The control then takes place, for example, in the form that the passage channel of a protection element that has arrived at the partial flow limit value becomes slightly higher impedance. In this case, the abregelde protective element builds only so much more resistance that the tolerances of the protective elements are compensated.
In a further development of the control method it is provided that the voltage is detected at each output of a protection element and that upon reaching a predetermined voltage drop, the protection element in question limits the current through the protection element for a predetermined limitation period and that the protection element shuts off after a lapse of the limitation period. A timer is therefore only started after a clear drop in the voltage at the output of all parallel-connected protection elements, so that minor disturbances or an uneven distribution of the load current does not lead to shutdown.
In this case, it is furthermore advantageous if, after a switch-off, all protective elements are reset as soon as a predetermined switch-off time span has expired and / or a critical parameter of the respective protective element falls below a predetermined switch-on value. For example, all timers are reset, so that all protection elements, regardless of the current switching state again assume the same initial state. As a result, any protective element outputs can be interconnected and reactivated via a common reset.
As a critical parameter is conveniently a
Chip temperature of the respective protective element detected. In this way, it is ensured that the protective device or a relevant protective device block only switches off when the thermal load as a result of a Abregelvorgangs is too large.
The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. In a schematic representation:
Fig. 1 circuit construction of a protective device with two consumer branches
Fig. 2 connecting comb with separation points
In Fig. 1 is a protective device SCH with several
Protective elements El ... En shown. In this case, the first three protective elements El, E2, E3 are combined to form a first protective device block Bll and the remaining protective elements E4 ... En to form a second protective device block B12. A first consumer or consumer branch VI is connected via the first protective device block Bll and a second consumer or consumer branch V2 is connected via the second protective device block B12 to a supply voltage U of a power supply.
Each protection element El ... En comprises a current limiting element Tl ... Tn and a current detection unit II ... In. The respective current limiting element Tl... Tn is designed, for example, as a transistor and the respective current detection unit II... In is designed as a current transformer. By means of a respective control unit AI ... An, the current flow through the current limiting element Tl ... Tn is controlled as a function of the respectively detected current. Each control unit AI ... An is a partial current limit specified. The partial current limit values of the protective elements El, E2, E3 or E4... En which are connected on the output side in total produce the current limit value of the respective block Bll or B12. The control units AI ... An are either constructed analog or designed as a microcontroller.
Each current limiting element Tl ... Tn is another
Fuse Sl ... Sn upstream for fire protection reasons. This is either a fuse or a circuit breaker.
The functioning of the protective device SCH is explained with reference to the first protective device block Bll. The consumer or consumer branch VI is connected to an output terminal Kll of the block Bll. The other two output terminals K12, K13 remain free when the output side connection is made by means of a connecting comb Ka. At this time, a first connection comb portion Kai connects the outputs of the first block Bll, and a second connection comb portion Ka2 connects the outputs of the second block B12. Alternatively, an output-side connection via the corresponding terminals Kll, K12, K13 or K14 ... Kln done by wire bridges.
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In the case of a connection by means of connecting comb Ka, each output terminal Kll ... Kln must be designed for the maximum possible current limit value. In normal operation, the load current drawn by the consumer or load branch VI will not reach the current limit value of the block Bll. The load current is then divided according to the contact resistances on the three protective elements El, E2, E3. Tolerances can lead to a protective element El or E2 or E3 reaching its partial current limit value. The respective control unit AI or A2 or A3 then regulates the current flowing through this protective element E1 or E2 or E3, so that correspondingly more current flows through the other two protective elements E1, E2 or E2, E3 or E1, E3 ,
In order to use the maximum available performance of the current limiting elements Tl, T2, T3 in such a different power distribution of the individual protection elements El, E2, E3, the chip temperature of the respective current limiting element Tl, T2, T3 is used. If the maximum chip temperature of a protective element El or E2 or E3 is reached, this switches off. As a result, the protective elements El, E2 or E2, E3 or El, E3 connected in parallel must assume the overload. If the maximum permissible chip temperature is exceeded, these also switch off.
As an alternative to chip temperature sensing, overloads are allowed only for a predetermined period of time. In this case, a timer can only be started after a clear drop in the voltage at the output of the parallel-connected protection units El, E2, E3. In this case, a sequential sampling of the individual protective element output voltages is to be carried out by means of a higher-level control unit, since this control unit is not aware of which protective units El ... En are connected in parallel. From the output voltages is closed to the thermal load of the current limiting elements Tl, T2, T3.
Only after that, after expiration of a defined active limitation time, during which the load voltage is already actively reduced, the relevant block Bll is switched off, e.g. by means of the higher-level control unit to the control units AI, A2, A3 a shutdown signal is transmitted. During a subsequent switch-on process, cooling-down times to limit the component temperatures must be taken into account. In this case, for example, reset all timers by means of a manually triggered reset. The reset is disabled until either a predetermined switch-off time has expired or a critical parameter falls below a specified switch-on value.
A further embodiment provides that the voltage drop is detected at the respective current limiting element ^ f, T2, T3.
When specifying certain time periods for a current limitation, the ambient temperature can additionally be detected. At lower ambient temperatures, the permissible load duration is extended. When detecting the respective chip temperature, however, the ambient temperature is already taken into account.
For a secure and calculable connection at the outputs of the protective elements El ... En, it is useful to provide a connecting comb Ka. Such is shown in Fig. 2 and is electrically connected by means of appropriate connections with the outputs of the protective elements (El ... En). Conveniently, this is done by soldering appropriate Lötfahnen in a printed circuit board LP. Each solder tag is connected to a protective element output. With such a comb Ka between the individual protective elements El ... En correspondingly large cable cross-sections, so that a large number of protective elements El ... En is connected in parallel.
In addition, the installation effort is reduced significantly, especially when between the protective elements El ... En manually separable separation points Br are provided, preferably designed as predetermined breaking points. According to the loads to be connected or consumer branches VI, V2, the connection comb Ka is interrupted at such a separation point Br, so that the connection comb Ka is divided into a plurality of connection comb sections Kai, Ka2.
For this purpose, the connecting comb Ka, for example, separators TS, which allow to initiate a torque in the region of the separation points Br. As a result of repeated twisting of the relevant separating piece TS, cold work hardening occurs in the region of these separating points Br and, as a consequence, a desired break occurs on both sides of the separating piece TS. It is also possible to carry out the separators TS only as detachable parts. It must always be ensured that the separators TS have an appropriate size so that they do not accidentally fall through the air slots of a device housing. This can be achieved in that the separators TS are formed in comparison to the other line cross-section either as a larger flat parts or as larger curved parts. The connecting comb Ka can also cover a colored mark.
This is released when breaking out of a separator TS to clearly indicate which protective elements El ... En connected or separated from each other.
In such an embodiment, it must be ensured that the connecting comb is only accessible when the
Protective device is voltage-free. For this purpose, for example, provide a cover that can only be opened when the protection device is switched off. As an alternative, the connecting comb is made partially insulated.