CN107004526B - 保护开关及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种保护开关(1)，其在电流路径(4)中具有开关装置(6、7、8)，开关装置具有用于在发生过电流或短路情况下中断包括电流路径(4)的电流回路的热和/或磁性触发器(6、7)，其中，开关装置(6、7、8)的接在电流路径(4)中的功能部件(6a、7a)借助旁路(4)桥接，在低于电流阈限(INENN)时，旁路引导借助电流传感器(13)检测到的负载电流(IL)，而在超过电流阈值(INENN)时被阻断。

Description

保护开关及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种保护开关，其在输入端子与负载端子之间的电流路径中具有开关装置，开关装置具有用于在发生过电流或短路情况下中断包括电流路径的电流回路的热和/或磁性触发器。本发明还涉及一种用于低功率损耗地运行这种保护开关的方法。
背景技术
具有热、磁性(电磁性)或热磁性触发设备的保护开关典型地被当作在信息技术和通信技术中的器件或设施保护以及被用于过程控制和在发生过载和短路危险时需要可靠的功能性的其它的用途。
在触发时间与过电流水平有关的热保护开关中，双金属或延展线材元件随着电流强度增加而被加温，直到达到限定的触发点。这样的热保护开关例如由DE 198 56 707 A1和EP 0 151 692 A2公知。
在热磁性保护开关中，由双金属或延展线材元件与磁线圈构成的组合体产生保护功能，其中，热部件以时间上延迟地触发在发生过载时进行保护，而磁性部件在时间上非延迟地对高过载电流和短路电流作出响应并在几毫秒内关断发生故障的电流回路。这种保护开关例如由DE 70 39 477 U公知。
这样的保护开关众所周知地引发由内部部件引起的损耗功率，其以热的形式释放并导致在装入部位处例如在开关柜中的温度升高。在例如由另外的保护开关引起的增加的温度升高的情况下，需要对装入部位进行冷却，这是因为否则导致例如线路和其它在开关柜中存在的部件被加温进而随之导致使用寿命的缩短。此外，除了与此相关联的在冷却方面的花费以外，能量或电流需求的提高和在装入部位的可能的冷凝效应是不利的。
发明内容
本发明基于的任务是，提供一种尽可能低功率损耗地进行工作的保护开关及一种相应的用于运行该保护开关的方法。
该任务以根据本发明的保护开关来解决，其在输入端子与负载端子之间的电流路径中具有开关装置，开关装置具有用于在过电流或短路情况下中断包括电流路径的电流回路的热和/或磁性触发器。该任务还通过根据本发明的用于低损耗地运行保护开关的方法来解决，该保护开关包括开关装置和相对低欧姆的旁路，开关装置具有用于在过电流或短路情况下中断电流路径的热和/或磁性触发器，该旁路通向所述开关装置的接在电流路径中的功能部件。
为此，开关装置的至少一个接在电流路径中的功能部件借助旁路被跨接，在低于电流阈值时，旁路引导负载电流，而在超过该阈值(电流阈限)时旁路被阻断。在此，功能部件可以是热过电流触发器的双金属件或者电磁性触发器的线圈。
在此重要的是，与保护开关的跨接的功能部件相比，旁路是低欧姆的。因此，旁路优选借助与功能部件并联的开关元件来实现，该开关元件可以是具有配属的控制电路的继电器或半导体开关和/或簧片触头(簧片继电器)，控制电路又与电流传感器连接。
在有利的设计方案中，对控制电路的电流供给和/或电压供给借助基于能量收集(Energy Harvesting)原理的功能部件进行。该功能部件适宜地包括能量转换器，其用于将由开关内部或开关外部的能量源提供的能量转换为用于控制电路的供电电压和/或供电电流。此外，基于能量收集原理的功能部件优选包括能量存储器。另外，该能量收集功能部件必要时包括电流和/或电压调节器。
关于用于低损耗地操作这样的具有旁路或旁路电路的保护开关的方法，检测流过与相应的触发器接线的电流路径的负载电流。将检测到的负载电流与阈值(电流阈限)进行比较。只要低于该阈值或电流阈限，相对低欧姆的旁路就在相对低的功率损耗的情况下引导负载电流。如果超过阈值，这会表明可能发生过电流或短路情况或可能导致所述情况，则旁路被阻断并且负载电流经由保护开关的接在电流路径中的触发器被引导。
用于对开关装置的控制电路和/或对接在旁路中的开关元件供应的能量特别优选根据能量收集原理由位于保护开关的作用区域中的能量源来实现，其所获得的能量在需要时转换为用于控制电路的供电电压和/或供电电流以及优选存储起来。
根据位于保护开关之内的能量源，例如必要时存在的电磁性触发器的场能或者来自保护开关的控制电路中的欧姆电阻器的热功率的热能或者由于保护开关的电气的/电子的构件(欧姆电阻器)存在的电位差而产生的势能，线圈(磁线圈)、帕尔帖元件或电位或电压转换器可用作能量转换器并被整合到保护开关中，尤其是其控制电路中。
作为外部能量源，可以再次考虑例如由于两个相邻的部分之间的温度差引起的热能、辐射能、动能或化学能。为了技术上的实现，可以适宜地再次使用帕尔帖元件、太阳能电池、压电元件或蓄电池。无论内部和/或外部能量源是否被用于能量收集，该所获得的能量都优选仅被用于对电子的控制电路的供给并且不是直接地而是因此仅间接地用于对保护开关(保护器件)的触发。
对于由内部或外部能量源使用的所描述的能量形式，不必在技术转换之后紧接着作为电能连续地提供，以便得到用于对电子的控制电路的供应的电压和/或电流。更确切地说，所获得的能量例如借助电容器或电感器存储起来，以便对可能的中断阶段进行补偿。至少在电流流经电流路径进而流经保护开关的相应功能元件的情况下，经由热保护开关的热的部分而能利用的热能以及经由磁性或热磁性保护开关的磁性或电磁性部分的磁场能或电磁场能可供使用，其被转换为控制电路所需的能量供应(电压和/或电流)并被利用。
用本发明所实现的优点尤其在于，一方面，借助通向尤其是热和磁性保护开关的由运行引起而耗散出电能的功能部件的低欧姆的旁路(Ecopass)，来使该保护开关以相对低的功率损耗进行工作，另一方面，通过利用能量收集的效应或原理来使该保护开关以特别低的能量进行工作。在此，两种效应(旁路和能量收集)优选组合使用或实现。
附图说明
以下参照附图更详细地说明本发明的实施例。其中：
图1示意性地示出热磁性保护开关，其在通向热触发器的旁路中具有与控制电路接线的半导体开关；
图2以根据图1的图示示出在通向热触发器的旁路中具有与控制电路接线的继电器的保护开关；
图3以根据图1和图2的图示示出在通向热/磁性触发器的旁路中具有簧片触头的保护开关；以及
图4以电流/时间图表示出在优化的旁路运行和触发运行的情况下的典型的电流变化曲线。
所有附图中相互对应的部分设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性示出了具有热磁性触发设备和旁路工作方式的保护开关1。为此，保护开关1在输入端子2与负载端子3之间包括具有形式为固定触头和移动触头的断路开关5的电流路径4。在电流路径4之内，具有例如借助加热线材加热的双金属件6a的热触发器6或者形式为例如借助加热线材加热的双金属件6a的热触发器6后置于断路开关5。形式为具有铁芯7b的磁线圈7a(图3)的用于触发撞击式衔铁的磁性触发器7又后置于该热触发器6。不仅热触发器6而且磁性触发器7都经由形式为可松开的联锁机构的开关锁8作用于断路开关5上，以便在发生过电流或短路时延时或不延时地断开该断路开关5。热触发器6和磁性触发器7在电流路径4之内的串联布置也可以交换。
因此，在发生过载和短路的情况下，热磁性保护开关1导致经由输入端子2和负载端子3联接到电流路径4的电流回路断路。在发生热触发时，因由于欧姆加热功率而导致的加温使例如热触发器6的双金属件发生延展来获得用于触发开关锁8的力。在发生磁性触发时，磁性(电磁性)的触发器7的有电流流过的线圈的电磁作用力作用于撞击式衔铁上。
在所示的热磁性保护开关1中，由于下面也称为负载电流IL的流经欧姆电阻器的运行电流而发生热损耗，欧姆电阻器基本上由热触发器6的双金属件和磁性/电磁性触发器7的线圈组成。如果低于各自的额定电流IN进而小于该额定电流IN的电流流经电流路径4进而流过保护开关1，则应通过如下方式来降低损耗功率，即，降低保护开关1的欧姆电阻。这通过如下方式了实现，即，各触发器的功能部件，这里为热触发器6的双金属件和/或磁性/电磁性触发器7的线圈，以低欧姆的方式桥接。该旁路9表示借助开关元件实现的低欧姆的连接部。
在图1中作为开关元件的晶体管或功率半导体10形成旁路9或者例如接入在该旁路中，而在根据图2的在其它方面相同类型地构造的保护开关的实施方式中，经由继电器线圈11b运行的继电器11的继电器触头11a接到旁路9中。给两个开关元件10、11配属有控制电路12，给控制电路输送与当前负载电流IL相应的或成比例的传感器信号SL。该传感器信号由检测电流路径4中的当前负载电流IL的电流传感器13产生。
依赖于检测到的负载电流IL的大小，控制装置12产生用于操作开关元件10、11的控制信号SC。因此，使得旁路9在负载电流IL低于阈值INenn(图4)的情况下导通并因此被激活，或者当检测到的负载电流IL超过阈值INenn时，通过断开相应的开关元件10、11来对旁路9进行切断或去激活。在这种情况下，负载电流IL仅经由触发器6、7被引导，从而使该触发器必要时在发生过电流或短路情况下被触发。
在图3中示意性示出的保护开关1中，在旁路9中，一方面并行于热触发器6或其双金属件6a地接有晶体管10作为开关元件，并且接有簧片触头14作为另外的开关元件。该簧片触头优选被整合到磁性触发器7中，也就是说优选被整合到磁线圈7a的线圈体中。簧片触头14由保护开关1的磁性触发器7的磁线圈7a操作并且当超过预定的极限值时，优选当负载电流IL达到例如极限值I’N(I’N＝0.8IN)时进行响应，该极限值为80％的额定电流IN。
只要负载电流IL低于比阈值(INenn)小的该极限值I’N，则作为热触发器6的功能部件的双金属件6a就借助作为开关元件的晶体管10短接，而簧片触头14断开。当负载电流IL超过极限值I’N时，该簧片触头14闭合并且桥接双金属件6a的晶体管断开。
控制电路12询问簧片触头14的开关状态。控制电路12同时控制晶体管10导通，晶体管接到旁路9中并将保护开关1的热触发器6或其双金属件6a短接。一旦负载电流IL超过极限值I’N并且簧片触头14发生响应，则晶体管10经由热触发器6或经由其双金属件6a断开并且负载电流IL仅流过电流路径4，从而保护开关1通常作为热磁性保护开关1工作。如果负载电流IL重新下降到极限值I’N＝0.8INenn之下，则簧片触头14断开并且过程反向进行。
图4在电流-时间图表I、t中示出了经由旁路9的理想化的电流变化曲线IB以及经由借助旁路9跨接的功能部件，在当前经由热触发器6的双金属件的电流变化曲线(触发电流)IA。该电流变化曲线IA以实线示出，而经由旁路9的电流变化曲线IB作为虚线示出。
控制电路12以如下方式依赖于借助电流传感器13检测到的电流IL来控制相应的开关元件10、11，即，与电流路径4相比而言较低欧姆的旁路9被激活，并且在电流路径4中的相应的功能元件6a、7a被跨接，直到达到在下文也被称为电流阈限的阈值INenn，该阈值在实施例中相应于保护开关1的额定电流IN。如果例如在时间点t1达到或超过该电流阈限INenn，则通过如下方式来对旁路9进行去激活，即，断开相应的开关元件10、11、14，并且因此使负载电流IL仅流过电流路径4。
因此，保护开关1承担其典型的保护功能并且在发生过电流的情况下延时地进行热触发或者在发生短路的情况下无延迟地进行磁性/电磁性触发。如果检测到的负载电流IL在稍后的时间点重新又低于电流阈限INenn，则以一定的迟滞电流极限IHys在时间点t2激活旁路9并且为此通过相应的操控来闭合相应的开关元件10、11、14。
根据能量收集原理，对控制电路12的电流和/或电压供给有利地借助功能部件15进行。在实施例中配属于控制电路12的该功能部件15包括能量转换器16用于将由开关内部或开关外部的能量源17提供的能量转换成用于控制电路12的供电电压或供电电流。此外，基于能量收集原理的功能部件15还包括电流和/或电压调节器18和能量存储器19。
为了在发生过电流或短路情况下中断包括电流路径4的电流回路，除了热触发器或磁性触发器之外或者代替地，开关装置还可以具有电子触发器。借助旁路跨接的功能部件可以是被用于电流测量的分流器，或可以是保护开关的其它电气的或电子的构件。为了利用或实现能量收集，通过如下方式使功能部件15与电子保护开关相结合是有利的，即，由开关内部或外部的能量源17所获得的能量被用来对通常配属于这样的电子保护开关的控制电路的自供应，并且尤其是借助转换器16转换成供电电压和/或供电电流，以及必要时借助电流或电压调节器18来进行调整，并且根据需要借助存储器19来缓存。
附图标记列表
1 保护开关
2 输入端子
3 负载端子
4 电流路径
5 断路开关
6 热触发器
6a 双金属件
7 磁性/电磁性触发器
7a 磁线圈
7b 铁芯
8 开关锁
9 旁路
10 开关元件/晶体管
10’ 功率半导体
11 开关元件/继电器
11a 继电器触头
11b 继电器线圈
12 控制电路
13 电流传感器
14 簧片触头
15 功能部件
16 能量转换器
17 能量源
18 电流/电压调节器
19 能量存储器
IHys 迟滞电流
IL 负载电流
IN 额定电流
I’N 极限值
INenn 电流阈值/阈值
SL 传感器信号
SC 控制信号

Claims (6)

1.一种保护开关(1)，其在输入端子(2)与负载端子(3)之间的电流路径(4)中具有开关装置(6、7、8)，所述开关装置具有用于在过电流或短路情况下中断包括所述电流路径(4)的电流回路的热和/或磁性触发器(6、7)，
-其中，所述开关装置(6、7、8)的接在所述电流路径(4)中的功能部件(6a、7a)借助旁路(9)跨接，所述旁路借助与所述功能部件(6a、7a)并联的具有配属的控制电路(12)的开关元件(10、11、14)来实现，并且在低于电流阈值(INenn)时，所述旁路引导借助电流传感器(13)检测到的负载电流(IL)，而在超过所述电流阈限(INenn)时，所述旁路被阻断，
-其中，对所述开关装置(6、7、8)的和/或控制电路(12)的电流供给和/或电压供给借助基于能量收集原理的功能部件(15)来实现，并且
-其中，所述基于能量收集原理的功能部件(15)包括能量转换器(16)，所述能量转换器用于将由开关内部或开关外部的能量源(17)提供的能量转换为用于所述控制电路(12)的供电电压或供电电流。
2.根据权利要求1所述的保护开关(1)，
其中，
所述开关元件(10、11、14)是具有配属的控制电路(12)的半导体开关或继电器和/或簧片触头(14)，所述控制电路与所述电流传感器(13)连接。
3.根据权利要求1所述的保护开关(1)，
其中，
所述基于能量收集原理的功能部件(15)包括电流和/或电压调节器(18)。
4.根据权利要求1所述的保护开关(1)，
其中，
所述基于能量收集原理的功能部件(15)包括能量存储器(19)。
5.一种用于低损耗地运行保护开关(1)的方法，所述保护开关(1)包括开关装置(6、7、8)和相对低欧姆的旁路(9)，所述开关装置具有用于在过电流或短路情况下中断电流路径(4)的热和/或磁性触发器(6、7)，所述旁路与所述开关装置(6、7、8)的接在所述电流路径(4)中的功能部件(6a、7a)连接，
-其中，检测流过所述电流路径(4)的负载电流(IL)并将检测到的负载电流(IL)与阈值(INenn)进行比较，所述负载电流(IL)在低于所述阈值(INenn)时通过所述旁路(9)引导，而在超过所述阈值(INenn)时所述旁路被阻断，并且
-其中，对所述开关装置(1)的控制电路(12)的供电和/或对接在所述旁路(9)中的开关元件(10、11、14)的供电根据能量收集原理由位于所述保护开关(1)的作用区域中的能量源(17)来实现，并且
-其中，将根据能量收集原理收集的能量转换为用于所述控制电路(12)的供电电压或供电电流。
6.根据权利要求5所述的方法，
其中，
-只要所述负载电流(IL)低于小于所述阈值(INenn)的极限值(I’N)，所述热触发器(6)的功能部件(6a)就借助作为开关元件(10)的晶体管短接，以及
-当所述负载电流(IL)超过所述极限值(I’N)时，与所述磁性触发器(7)的功能部件(7a)共同作用的簧片触头作为另外的开关元件(14)闭合，而桥接所述热触发器(6)的功能部件(6a)的开关元件(10)断开。
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