CN113557646B - 用于保护电负载的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种负载保护装置，其用于保护与该负载保护装置(1)的输出端子(3)连接的电负载免受过电流，所述负载保护装置(1)包括：过电流保护电路(1A)，其具有电源开关(5)，所述电负载经由所述输出端子(3)通过该电源开关(5)接收电负载电流(IL)，并且具有传感器组件(4)，该传感器组件(4)与所述电源开关(5)串联连接，并且具有驱动器电路(6)，其适于根据由所述传感器组件(4)产生的电压降(ΔU4)并且根据沿所述电源开关(5)的电压降(ΔU5)来检测发生的过电流，并且适于在检测到在关断时段内的过电流时关断所述电源开关(5)。

Description

用于保护电负载的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于保护电负载免受过电流和过载的方法和电子保护装置。电子负载保护装置可以集成在熔丝壳体中。
背景技术
电动机是负载的示例。电动机通过电动机的磁场和线绕组中的电流之间的相互作用来操作，以产生轴旋转形式的机械力。电动机通常可以由诸如电池或整流器的直流电源或诸如电网、逆变器或发电机的交流电源供电。有不同种类的电动机，特别是异步电动机和同步电动机。连接到电源系统的负载，特别是电动机，需要过载和/或过电流保护。在电气系统中，可能发生过电流流过电导体的情况，导致过度产生热量并损坏电气设备或负载。负载还可以包括电阻性负载。所有这些类型的负载都需要针对过电流和/或过载的保护。导致过流的原因可以有很多，包括短路、不正确的电路设计或接地故障。此外，存在多种常规过流保护设备，例如熔丝、机电断路器或固态电源开关。当发生过电流时，保险丝确实熔化，从而中断电流并因此保护所连接的负载。然而，熔丝仅在相对高的电流幅度下熔化，从而在熔丝熔化之前，许多电能可以被传递到连接的负载，例如电动机。这增加了损坏所连接的电负载的组件的风险。此外，在消除过流的原因之后，有必要更换受影响的熔丝。
作为负载的电动机可以包括额定功率。在电气工程中，设备的额定功率是允许流过相应设备的最高功率输入。过电流保护保护电气设备，防止由于短路、接地故障和过载条件而导致的过大电流或超过可接受额定电流的电流。相反，过载保护防止过载电流导致受保护电气设备过热的情况。
过电流继电器可用作过载(热)保护以保护电阻性负载。然而，对于感性负载，过电流继电器不能用作过载保护。过载继电器通常比过电流继电器具有更长的时间设置。
传统的电保护设备可以采用电流传感器来测量流到所连接的负载的电流，以检测临界情形，并且在临界情形确实出现的情况下自动触发电子或机电开关。诸如霍尔传感器的电流测量元件可以测量电流并且将测量值提供给控制器或控制逻辑，控制器或控制逻辑可以在测量的电流超过预定阈值的情况下关断开关组件。传统保护传感器使用诸如MOSFET的半导体开关来保护连接的负载免受过电流。随着流经接通的半导体开关的电流的增加，沿着半导体开关的电压降也增加，从而在半导体开关处出现更高的功率损耗。增加的功率损耗可导致半导体开关和/或所连接的电动机内的电子组件的损坏甚至破坏。因此，传统的保护电路评估沿着其半导体开关的电压降，并且一旦电压降超过阈值就可以关断半导体开关。然而，这种传统的关断机制仅在电流在相对长的关断时段之后已经达到高幅度之后才开始工作。这些传统的保护电路工作得比较慢，并且需要高电流电平来触发相应的开关组件。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种电子负载保护装置，其适于有效地保护电负载免受过电流和/或过载的影响。
该目的通过包括权利要求1的特征的负载保护装置来实现。
根据第一方面，本发明提供了一种用于保护与负载保护装置的输出端子连接的电负载的负载保护装置，该负载保护装置包括：
集成过电流保护电路(OCPC)，其具有电源开关，所述电负载通过该电源开关接收电负载电流，并且所述电源开关具有传感器组件，该传感器组件与电源开关串联连接，并且适于直接产生与从所述负载保护装置的输入端子经由所述传感器组件和所述电源开关流到所述输出端子的电负载电流的电流上升速度相对应的电压降，并且具有驱动器电路，该驱动器电路适于根据施加到所述驱动器电路作为总电压的由所述传感器组件产生的电压降和沿着所述电源开关的电压降来检测发生的过电流，并且适于在关断时段内检测到过电流时关断所述电源开关。
关断时段小于1毫秒。在可能的实施方式中，关断时段小于5微秒。
负载保护装置可以集成在熔丝壳体的可能实施例中。
在可能的实施例中，所述负载保护装置还包括集成电源控制电路(PSCC)，其具有传感器组件，所述传感器组件适于在所述输入端子处测量被通知给所述负载保护装置的控制单元的电源电压，所述控制单元适于控制供应给所述电负载的电力。
所连接的负载可以包括不同的负载类型，包括电阻性负载、电容性负载和/或电感性负载。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的可能实施例中，所述负载保护装置的壳体还包括集成过载保护电路，该集成过载保护电路具有传感器组件，该传感器组件适于连续地测量流到所述输出端子的负载电流，该负载电流被通知给所述负载保护装置的控制单元，该控制单元适于基于所测量的负载电流分布来确定所述电负载的过载状态和/或类型。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一个可能的实施例中，如果所述电负载的过载状态由集成控制单元确定，则所述集成控制单元适于控制所述驱动器电路以关断所述电源开关。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的又一可能实施例中，所述集成控制单元适于基于由所述过载保护电路的传感器组件测量的负载电流分布并且基于在所述负载保护装置的输入端子处由所述电源控制电路的传感器组件测量的电源电压分布，根据所述电负载的操作模式来控制供应给所述电负载的电力。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的又一可能实施例中，所述过电流保护电路的传感器组件包括线圈，该线圈适于根据流过所述过电流保护电路的传感器组件的负载电流的电流上升速度来产生感应电压降。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的又一可能实施例中，所述过载保护电路的传感器组件包括霍尔传感器，其适于连续地测量流过所述负载保护装置的输出端子的负载电流以提供所述负载电流分布。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述电源控制电路具有传感器组件，该传感器组件由分压器形成，该分压器适于将所述输入端子处的所述电源电压的一部分供应到所述负载保护装置的所述集成控制单元以提供电源电压分布。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述过载保护电路的传感器组件和所述电源控制电路的传感器组件连接到相关联的模数转换器，该模数转换器适于将测量的模拟负载电流分布和测量的电源电压分布转换成存储在所述控制单元的数据存储器中的相应测量值，作为负载电流分布数据和电源电压分布数据。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述控制单元的处理器适于基于存储在所述控制单元的数据存储器中的负载电流分布数据和电源电压分布数据来计算功率因数。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，如果所施加的总电压在关断时段内超过可配置阈值电压，则所述驱动器电路适于自动关断所述电源开关，以保护所述负载保护装置本身和所述电负载免受过载和/或短路过电流。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述控制单元的处理器适于通过处理存储在所述控制单元的数据存储器中的负载电流分布数据和/或电源电压分布数据来确定所连接的电负载的操作模式和/或特定操作状态。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述控制单元适于在接收到控制命令时控制所述负载保护装置的驱动器电路，使得所述电源开关根据接收到的控制命令来接通或关断。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述负载保护装置的控制单元适于经由所述输入端子从自动化系统的控制器接收所述控制命令。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述负载保护装置的电源开关包括IGBT或功率MOSFET，特别是SiC MOSFET、GaN MOSFET或ScAlN MOSFET。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述负载保护装置的集成控制单元适于基于所连接的电负载的至少一个操作参数和所存储的分布数据来导出所述电负载的组件和/或所述负载保护装置本身的组件的温度分布，并且如果检测到与预定温度范围的偏差，则控制所述驱动器电路关断所述集成电源开关。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的又一可能实施例中，在可配置的等待时段之后和/或在成功清除关断原因之后和/或如果满足其他预定的接通条件，则接通集成在所述壳体中的所述电源开关。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的又一可能实施例中，与所述输出端子连接的电负载包括电动机，该电动机经由所述负载保护装置接收作为操作负载电流的电相L。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，对于每个AC电流相L或对于每个DC电流方向，为AC电流的正电流半波或正DC电流提供第一集成电源开关，并且其中，为AC电流的负电流半波或为负DC电流提供第二集成电源开关。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一个可能的实施例中，所述电源开关经由半桥或全桥整流器电路与所述负载保护装置的相关联的驱动器电路连接。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述负载保护装置包括集成在所述壳体中的显示元件，该显示元件适于用信号通知所述负载保护装置的操作状态和/或所连接的电负载的操作状态。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，集成在所述壳体中的所述驱动器电路包括与所述集成控制单元连接的低电压侧和与所述集成电源开关连接的高电压侧，其中，所述驱动器电路的低电压侧和高电压侧彼此电隔离。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述集成控制单元适于根据计算的功率因数和与所述输出端子连接的所述电负载的操作模式来执行相位角控制和/或将预定义的开关模式应用于所述集成电源开关。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一个可能的实施例中，所述集成控制单元的处理器能够访问所述电负载的至少一个负载操作特性，该至少一个负载操作特性指示至少一个可允许操作区域、至少一个临界操作区域和/或至少一个不可允许操作区域的操作参数。
所述集成控制单元的处理器还可以访问所述负载保护装置本身的组件的至少一个操作特性，该操作特性指示相应组件的至少一个可允许操作区域、至少一个临界操作区域和/或至少一个不可允许操作区域的操作参数。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，所述集成控制单元的处理器适于相对于所述电负载和/或内部组件的负载操作特性来评估存储在所述控制单元的数据存储器中的负载电流分布数据和/或电源电压分布数据，以确定不同操作参数的操作参数组合是否处于负载操作特性和/或组件操作特性的临界或不允许的操作区域中。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，如果操作参数的操作参数组合被确定为处于电负载的负载操作特性和/或负载保护装置的组件的操作特性的临界操作区域中，则所述控制单元经由所述负载保护装置的输出接口或经由所述输入端子或输出端子输出警报信号。该组件可以包括例如所述负载保护装置的电源开关。
在根据本发明第一方面的负载保护装置的另一可能实施例中，如果操作参数的操作参数组合被确定为处于所述电负载的负载操作特性和/或所述负载保护装置的监测集成组件的操作特性的不可容许操作区域中，则所述负载保护装置的控制单元自动生成施加到所述电源开关的关断控制信号，以关断负载电流。
在根据本发明的第一方面的负载保护装置的另一个可能的实施例中，在所述控制单元的存储器中存储用于不同操作参数组合的不同负载操作特性和/或组件操作特性。
根据另一方面，本发明还提供了一种包括权利要求31的特征的自动化系统。
根据第二方面，本发明提供了一种自动化系统，该自动化系统包括根据本发明第一方面的至少一个负载保护装置和与所述负载保护装置的输出端子连接的电负载。
根据另一个第三方面，本发明还提供了一种用于保护电负载的方法，该方法包括权利要求32的特征。
根据第三方面，本发明提供了一种用于保护电负载的方法，该方法包括以下步骤：
在传感器组件处产生电压降，所述电压降对应于经由所述传感器组件和电源开关流到与所述负载保护装置的输出端子连接的所述电负载的电负载电流的电流上升速度，
如果所产生的电压降加上沿着所述电源开关的电压降超过阈值电压以提供对过电流的保护，则在关断时段内由驱动器电路自动关断所述电源开关。所述关断时段小于1毫秒，优选地小于5微秒。
附图说明
在下文中，参照附图详细描述本发明的不同方面的可能实施例。
图1A、图1B示出了根据本发明第一方面的负载保护装置的可能示例性实施例的框图；
图2示出了根据本发明的第一方面的负载保护装置的可能的示例性实施方式的框图；
图3示出了用于说明根据本发明的第一方面的负载保护装置的可能的示例性实施方式的操作的状态图；
图4示出了用于说明根据本发明的第一方面的负载保护装置的可能的示例性实施方式的操作的流程图；
图5示意性地示出了与根据本发明的负载保护装置连接的电负载的可能的负载操作特性；
图6、图7示出了进一步的示例性负载操作特性，以说明根据本发明的负载保护装置的操作；
图8示出了用于说明根据本发明的又一方面的用于保护电负载的电源的方法的可能的示例性实施例的流程图；
图9示出了可以用在根据本发明的负载保护装置中的过电流保护电路的可能的示例性实施例的电路图；
图10示出用于说明在根据本发明的负载保护装置中使用的驱动器电路的示例性实施方式的电路图；
图11示意性地示出了根据本发明的方法和装置所采用的可能的不同冗余测量和保护机制；
图12示出了集成在NH熔丝的壳体中的负载保护装置的可能实施例。
具体实施方式
从图1A、图1B的框图可以看出，根据本发明第一方面的负载保护装置1可以包括多个主电路，包括过电流保护电路1A、过载保护电路1B和电源控制电路1C(图1B)。负载保护装置1可以设置在供电网络PSN和电负载之间，如图1A-图1B所示。电力可以由电源网络PSN的母线系统分配。电负载连接到负载保护装置1的输出端子3。在图1A所示的实施例中，负载保护装置1包括过电流保护电路1A和过载保护电路1B。在又一可能的实施例中，负载保护装置1包括过电流保护电路1A、过载保护电路1B和电源控制电路1C，如图1B所示。负载可以包括电感性负载，例如电机、电容性负载或电阻性负载或其之间的组合。负载保护装置1可以集成在具有熔丝壳体形状的壳体12中。熔丝壳体可以包括例如图12所示的NH熔丝壳体。
过电流保护电路1A、过载保护电路1B和电源控制电路1C集成在负载保护装置1的熔丝壳体中，也如图12所示。
通常，电负载是消耗电力的电路的电组件或部分。电负载以所接收的电流的形式消耗电能，并且可以将该电能转换成诸如热、光、功等的其他形式。电感性负载也称为滞后负载，是AC负载，其本质上主要是电感性的，使得当电流流入负载时，交流电流滞后于交流电压。相反，电容性负载是在工作频率下具有电容性电抗(即负电抗)的负载。电容性负载使电流波领先于电压波。因此，电容性负载的功率因数是领先的。电阻性负载是以与所施加的电压相同的比例汲取电流的类型的负载。电阻性负载通常用于将电流转换成诸如热的其他形式的能量。电压波和电流相位与电阻性负载的相位相同。
图2示出了包括过电流保护电路1A、过载保护电路1B的负载保护装置1的可能实施例。负载保护装置1还可以包括如图1B所示的电源控制电路1C。过电流保护电路1A具有输入端子2，以从图1A-图1B所示的供电网络PSN接收电力。负载保护装置1还包括用于将电负载连接到负载保护装置1的输出端子3。如图2所示，传感器组件4与电源开关5串联连接。传感器组件4适于直接产生电压降ΔU4，该电压降ΔU4对应于从负载保护装置1的输入端子2经由传感器组件4和电源开关5流到负载保护装置1的输出端子3的电负载电流IL的电流上升速度。过电流保护电路(OCPC)1A包括电力负载通过其接收电负载电流IL的电源开关5和与电源开关5串联连接的传感器组件4。在可能的实施例中，过电流保护电路1A的传感器组件4包括线圈，该线圈适于根据流过过电流保护电路1A的传感器组件4的负载电流IL的电流上升速度来产生感应电压降ΔU4。过电流保护电路1A还包括如图2的框图所示的驱动器电路6。驱动电路6适于根据由传感器组件4产生的电压降ΔU4和沿着电源开关5的电压降ΔU5来检测发生的过电流。由传感器组件4产生的电压降ΔU4和沿着电源开关5的电压降ΔU5可以作为和电压U∑＝ΔU4+ΔU5施加到驱动器电路6。硬连线驱动器电路6适于在检测到具有小于1毫秒，优选地小于5毫秒，的关断时段的过电流时关断电源开关5。电源开关5上的非线性电压降ΔU5被用作表示总电压UΣ中的瞬时电流的值。
通过如图9所示将传感器组件4-1、4-2与驱动电路6连接的电路以及如图10所示的在驱动电路6中集成的门和计算引起的内部信号传播延迟来预定关断时段。在可能的实施方式中，关断时段是硬连线的，即取决于电路组件和信号传播延迟。关断时段可以在2微秒和1毫秒之间的范围内。在可能的变型中，可以通过改变图9所示的电路的电路组件(例如电容器C的电容器)的值来调节关断时段。这可以改变由传感器组件4提供给驱动器电路6的信号的信号延迟，从而改变关断时段。通过转动集成在熔丝壳体12中的调节元件，可以使用小螺丝刀来改变电路组件的值。
受保护的关断响应于电流值和电流变化率的值两者的组合。
在图1B、图2所示的实施例中，根据本发明的负载保护装置1还包括电源控制电路(PSCC)1C。电源控制电路1C包括传感器组件9，传感器组件9适于在负载保护装置1的输入端子2处测量被通知给负载保护装置1的控制单元8的电源电压U。控制单元8适于根据电负载的类型和/或操作模式来控制供应给电负载的电力。电负载的类型可以包括电阻性、电感性或电容性负载类型。在图2所示的实施例中，电源控制电路1C具有由分压器形成的传感器组件9，分压器适于将负载保护装置1的输入端子2处的电源电压U的一部分提供给负载保护装置1的控制单元8，以提供随时间的电源电压分布。
进一步在图2的实施例中，负载保护装置1还包括过载保护电路(OLPC)1B，其具有适于连续测量流到输出端子3的负载电流IL的传感器组件7。测得的负载电流IL由传感器组件7通知给负载保护装置1的控制单元8，该控制单元8适于基于测得的负载电流分布来确定电负载的过载状态。传感器组件7还可以向驱动器电路6提供用于故障检测的测量。负载保护装置1的控制单元8进一步适于控制驱动器电路6，以在电负载的过载状态已经由控制单元8确定的情况下自动关断电源开关5。如图2中所示，过载保护电路1B的传感器组件7和电源控制电路1C的传感器组件9都连接到相关联的模数转换器10、11。模数转换器10、11适于将从传感器组件7接收的所测量模拟负载电流分布和由传感器组件9测量的所测量电源电压分布转换成相应的测量值(样本)。采样速率可以是4kHz。分辨率可以包括至少12位。模数转换器10、11也可以构成控制单元8的处理器8A的一部分。由模数转换器10、11提供的测量值作为数据样本存储在控制单元8的数据存储器中，作为负载电流分布数据和电源电压分布数据。在图2所示的实施例中，控制单元8包括处理器或FPGA 8A和数据存储器8B，以在操作期间动态地存储负载电流分布数据和电源电压分布数据。控制单元8还可以包括存储器8C，以存储不同的负载操作特性，即，针对不同操作参数和/或针对不同类型的负载(即，针对电阻性、电容性或感性负载)的操作特性。控制单元8的电源既可以由集成的电源单元提供，也可以经由DC接口提供。
在可能的实施例中，机电继电器可以与电源开关5串联连接并且可以由控制单元8控制。一旦控制单元8识别出过载状态，其可以命令驱动器电路6打开电源开关5和/或控制继电器打开和中断电流。机电继电器可以集成在负载保护装置1的壳体12中或者与负载保护装置1串联连接。
具有处理器或FPGA 8A的控制单元8适于根据电负载的类型和/或操作模式并且基于由过载保护电路1B的传感器组件7测量的负载电流分布以及基于以下条件来控制对与负载保护装置1的输出端子3连接的电负载的电力供应：由电源控制电路1C的传感器组件9在负载保护装置1的输入端子2处测量的电源电压分布。在可能的实施例中，过载保护电路1B的传感器组件7包括霍尔传感器，该霍尔传感器适于连续地测量流到负载保护装置1的输出端子3的负载电流IL，以提供负载电流分布。传感器组件7还可以包括GMR传感器、变压器或分流电阻器。
在可能的实施例中，控制单元8的处理器8A适于基于存储在控制单元8的数据存储器8B中的负载电流分布数据和电源电压分布数据来计算功率因数分布数据可以在数据存储器8B中存储预定的移动时间窗口。
连接到输出端子3的电负载可以包括不同的操作模式。例如，作为电感性负载的电动机M可以包括不同的操作模式。图3示出了状态图，用于说明作为负载连接到负载保护装置1的输出端子3的电动机的不同可能的操作模式。在图示的示例中，所连接的电动机M包括怠速操作模式、起动操作模式、稳态操作模式和停止操作模式。在怠速操作模式中，电动机M被关断并且电动机M的旋转速度为零。响应于接通命令，执行从怠速操作模式到起动操作模式的转换。在起动操作模式中，电动机M起动并且电动机M的旋转速度增加。在电动机M的稳态操作模式中，电动机M的旋转速度保持恒定。此外，在停止操作模式中，电动机M停止并且电动机M的旋转速度降低。响应于断开命令，在起动操作模式或稳态操作模式中，控制单元8转换到停止操作模式，直到电动机M的转速变为零。
控制单元8的处理器8A适于通过处理在控制单元8的数据存储器8B中可用的负载电流分布数据和/或电源电压分布数据来确定所连接的电负载(例如电动机)的操作模式和/或特定操作状态。
还如图3的状态图所示，控制单元8适于在接收到控制命令CMD时控制负载保护装置1的驱动器电路6，使得电源开关5根据接收到的控制命令CMD接通或关断。在可能的实施例中，负载保护装置1的控制单元8适于经由输入端子2从PSN或从与输出端子3连接的负载接收控制指令CMD。在另选实施例中，负载保护装置1的集成控制单元8还可以例如借助于电力线通信PLC经由输入端子2从与负载保护装置1连接的计算机或从自动化系统的存储程序控制接收控制命令。
在可能实施例中，负载保护装置1的控制单元8适于基于所连接的电负载的至少一个操作参数和存储在数据存储器8B中的分布数据来导出电负载的组件和/或负载保护装置1本身的组件的相关联的温度分布，并且还适于如果已经检测到偏离预定温度范围，则控制驱动器电路6以关断电源开关5。在可能的实施例中，负载保护装置1的电源开关5也可以在可配置的等待时段之后和/或在成功清除关断原因之后和/或如果满足其他预定的接通条件时接通。电源开关5可以包括不同种类的固态器件，包括IGBT或功率MOSFET。功率MOSFET可以包括SiC MOSFET、GaN MOSFET或ScAlN MOSFET。在可能的实施例中，如图2所示的连接的电负载可以包括多相电动机M，其经由负载保护装置1接收单个电流相L作为操作负载电流IL。在可能的实施方式中，负载保护装置1为电流相L提供至少过电流保护电路1A和过载保护电路1B。在可能的实施例中，电负载是电动机M，特别是与三个保护装置1并联连接的三相电动机M。三相电动机M可以包括三相感应电动机，即异步电动机。感应电动机使用在三相L中依次经由三个负载保护装置1传递到定子的线圈中的电流来产生旋转磁场。该磁场在线圈或鼠笼中感应电场，以驱动感应电动机M的转子。转子与旋转磁场之间的速度差，即同步速度，也称为滑差。感应电动机M的定子的对称三相绕组系统连接到具有适当电压和频率的三相供电网络PSN。相同幅度的正弦电流可以在三个绕组相L中的每一个中流动。每个电流暂时相互偏移120°。由于相位L在空间上也偏移了120°，因此电动机M的定子建立了一个磁场，该磁场随施加电压的频率旋转。旋转磁场在转子绕组或转子条中感应电压。短路电流可以流动，因为绕组被环短路。与旋转磁场一起，这些电流建立机械力并在转子半径上产生扭矩，该扭矩可以在旋转磁场的方向上使转子速度加速。在感应电动机中，在电动机M的转子中产生的电压的频率随着转子速度的增加而降低。这是因为旋转磁场速度和转子速度之间的差变得更小。如果电动机M的转子以与旋转磁场相同的速度转动，则电动机M将同步地转动，并且不会感应电压，因此电动机M将不能产生任何转矩。然而，轴承中的负载转矩和摩擦转矩导致转子速度和旋转磁场速度之间的差，并且这导致加速转矩和负载转矩之间的平衡。因此，感应电动机异步运行，也称为异步电动机。在可能的实施例中，负载保护装置1被提供用于与负载保护装置1的输出端子3连接的异步感应电动机M并且被保护以防止过电流和/或过载。
如图1A-图1B、图2示，根据本发明的负载保护装置1也可以被设置用于其他类型的电负载，特别地也可以被设置用于同步电动机。在同步电动机中，定子的旋转磁场与转子的磁场同步。根据本发明的负载保护装置1也可以用于DC驱动的电动机。负载还可以包括具有电容器的多相电动机。
还如图9所示的实施例中所示，对于电流相位L或对于每个DC电流方向，为AC电流的正电流半波或正DC电流提供第一电源开关5-1。此外，可以为AC电流的负电流半波或负DC电流提供第二电源开关5-2。电源开关5可以经由半桥或全桥整流器电路与负载保护装置1的相关联的驱动器电路6连接。如图10所示，驱动器电路6可以包括与控制单元8连接的低电压侧和与电源开关5连接的高电压侧。在优选实施例中，驱动器电路6的低电压侧和高电压侧彼此电隔离。
在根据本发明的负载保护装置1的可能实施例中，控制单元8的处理器8A适于根据计算出的功率因数和与负载保护装置1连接的电负载的当前操作模式来执行相位角控制和/或经由驱动器电路6将预定义的开关模式应用于电源开关5。为此，控制单元8的处理器8A可以访问电负载的至少一个负载操作特性，该至少一个负载操作特性指示至少一个可允许的操作区域、至少一个临界操作区域和/或至少一个不可允许的操作区域的操作参数。
图5示意性地示出了用于电负载以提供保护的负载操作特性。负载操作特性的不同区域可以由至少两个操作参数PA、PB定义，如图5所示。
图6、图7示出了负载操作特性的示例，该负载操作特性可以存储在控制单元8的存储器8C中并且被处理器或FPGA 8A用于提供负载的保护，特别是过载保护。如图6、图7所示，控制单元8的处理器或FPGA 8A适于相对于存储在负载特性存储器8C中的电负载的负载操作特性来评估存储在控制单元8的数据存储器8B中的负载电流分布数据和/或电源电压分布数据，以确定不同操作参数P的操作参数组合是否在相应负载操作特性的临界或不允许的操作区域中。在图6、图7中所示的示例中，示出了在时间t上由负载电流与作为负载的电动机的额定电流之间的比率给出的参数PB，以示出两种不同的情形。在图6所示的场景中，所计算的采样负载电流与预定额定电流之间的比率提供了全部在负载操作特性的容许区域中的值。相反，在图7所示的场景中，比值(第一参数PB)最初在可允许的区域中，然后在时间上(第二参数)移动到临界区域中，最后进入不可允许的区域，如图7所示。当参数PB到达临界区域时，控制单元8可以触发报警信号。一旦操作参数PB到达不允许区域，控制单元8的处理器8A就可以触发关断操作模式，在该关断操作模式中，响应于从控制单元8接收的控制命令，电源开关5被驱动器电路6关断。可选地，控制单元8可以控制与电源开关5串联连接的另一个开关，以在到达不允许的操作区域的情况下关断负载。在可能的实施例中，如果操作参数的操作参数组合被确定为处于相应电负载的负载操作特性的临界操作区域中，则控制单元8可以经由用户接口15的显示元件(例如集成在负载保护装置1的熔丝壳体12中的LED)输出警报信号。此外，如果操作参数的操作参数组合被确定为处于相应电负载的负载操作特性的不允许操作区域中，则控制单元8可以自动生成施加到电源开关5或另一开关的关断控制信号，以关断负载电流IL。在可能的实施例中，不同操作参数组合的不同负载操作特性可以存储在控制单元8的存储器8C中。
在可能实施例中，多个(例如，三个)负载保护装置1的控制单元8适于基于存储在控制单元8的数据存储器8B中的电源电压分布数据来确定在为不同相L提供的不同输入端子2处接收的电源电压是否指示与不同负载保护装置1的输入端子2连接的电源网络PSN的对称供电。如果电源网络PSN的不对称供电被控制单元8识别，则控制单元8适于在不同相位处自动关断电源开关5。
图4示出了用于说明由如图1B所示的根据本发明的负载保护装置1执行的电源控制操作的可能示例性实施例的流程图。响应于接通命令，所连接的电负载是在步骤SA中起动的电动机M，并且执行从怠速操作模式到起动操作模式的转换。
在第一步骤SB中，由传感器组件执行测量。对于每个相L，可以在步骤SB中测量相应的电压U和电负载电流IL。负载电流IL由传感器组件7测量，并且电源电压U可以由负载保护装置1的传感器组件9测量。
在另一步骤SC中，由控制单元8的处理器8A执行功率因数计算。控制单元8的处理器8A适于基于存储在控制单元8的数据存储器8B中的负载电流分布数据和电源电压分布数据来计算功率因数功率因数被定义为实功率与视在功率的比率。当功率沿着传输线传输时，其并不纯粹由一旦传输到电动机M就可以做功的实功率组成，而是由实功率和称为视在功率的无功功率的组合组成。功率因数描述了相对于在传输线中流动的总视在功率，沿着传输线传输到连接的电负载的实功率的量。
在另一步骤SD中，观察电动机M的当前操作模式。如果起动的电动机M处于起动操作模式(模式1)，则在步骤SE中，控制单元8的处理器8A或控制器执行起动电源控制。如果电动机M处于稳态操作模式(模式2)，则在步骤SF中，控制单元8的处理器8A执行稳态电源控制。如果所连接的电动机M处于停止操作模式(模式3)，则如图4所示，在步骤SG中，控制单元8的处理器8A或控制器执行停止电源控制。在可能的实施方式中，控制单元8的处理器8A可以在步骤SE、SF、SG中执行相位角控制，该相位角控制取决于在步骤SC中计算的功率因数和观察到的电动机M的电流操作模式。
相位角控制(也称为相位触发控制PFC)用于限制所施加的AC电压的功率。在可能的实施例中，控制单元8操作电源开关5以执行相位角控制。负载电流IL和电源电压之间的关系可以由控制单元8通过经由驱动器电路6控制电源开关5的开关来改变。在可能的实施例中，控制单元8可以执行负载软启动程序，以暂时减小动力传动系中的机械负载和扭矩，从而在启动期间使电负载的电流浪涌最小化。这样，控制单元8可以减小电负载的机械应力。在可能的实施例中，控制单元8可以在启动阶段期间控制负载的单相或三相电压供应。以这种方式，可以平滑地加速诸如电动机的电负载的设备。这延长了电负载的使用寿命并改善了其操作行为。控制单元8可以使用固态电源开关5来根据计算的功率因数和电负载的操作模式和/或类型来控制电流流动，并因此控制施加到电负载的电压。
图8示出了根据本发明的又一方面的用于保护电负载的电源的方法的可能的示例性实施例的流程图。
在图8所示的实施例中，该方法包括三个主要步骤S1、S2、S3。在第一步骤S1中，产生在传感器组件4处的电压降ΔU4，该电压降ΔU4对应于经由传感器组件4和电源开关5流到电负载的电负载电流IL的电流上升速度。在可能的实施方式中，电压降ΔU4由对应于电负载电流IL的电流上升速度的线圈产生。
在进一步的步骤S2中，如果所产生的电压降ΔU4加上沿着电源开关5的电压降ΔU5超过阈值电压，则电源开关5在小于1毫秒的关断时段内由驱动器电路6自动关断，以提供对过电流的保护，特别是对短路电流的保护。在可能的实施例中，关断时段小于5微秒。
在可能的实施方式中，由控制单元8基于测量的负载电流分布和测量的电源电压分布还控制施加到电负载的电力。在可能的实施例中，可以通过执行相位角控制来控制施加到电负载的电力。在替代实施例中，可以通过将预定义的开关模式应用于电源开关5来实现电源控制。
此外，可以由控制单元8基于所测量的负载电流分布来确定电负载的过载状态，以通过驱动电路6触发关断。在可能的实施例中，所连接的负载的类型由控制单元8基于所测量的分布数据来确定。
如图2所示，硬件传感器组件4与电源开关5串联连接。诸如线圈的硬件传感器组件4适于产生与经由传感器组件4和电源开关5流到与负载保护装置1的输出端子3连接的电负载的电流的电流上升速度相对应的电压。驱动器电路6适于根据由传感器组件4直接产生的电压降来检测出现的过电流，特别是短路电流，并且适于在非常短的时间段内检测到过电流时自动关断电源开关5以保护连接的电负载。在可能的实施方式中，传感器组件4包括线圈，该线圈适于根据流经传感器组件4并流经电源开关5到达所连接电负载的电流I的变化而直接产生感应电压UL。由线圈4产生的感应电压UL对应于电流I的电流上升速度dI/dt，电流I经由传感器组件4并经由电源开关5流到相应的电负载。由传感器组件4产生的电压降ΔU4和沿着电源开关5的电压降ΔU5作为总电压U∑施加到驱动器电路6。在电源开关5由MOSFET实现的情况下，沿着电源开关5的电压降ΔU5对应于漏-源电压UDS。传感器组件4不仅测量电流上升速度dI/dt，而且还通过限制电压降ΔU5(例如MOSFET 5的漏极源极电压UDS)来提供对电源开关5的保护。驱动器电路6适于基于所施加的总电压U∑来确定发生的短路电流和/或电源开关5的过载和/或电负载的过载，并且适于在检测到过电流和/或在检测到过载时关断电源开关5，以在小于5微秒的短关断时段内保护所连接的电负载和/或保护负载保护装置1的电源开关5双方。在优选实施例中，如果所施加的总电压UΣ超过预定阈值电压UTH，则驱动器电路6可以在小于2微秒的关断时段内关断电源开关5。在可能的实施方式中，阈值电压UTH可以是可配置的。如果所施加的总电压U∑超过所配置的阈值电压UTH，则负载保护装置1的驱动器电路6在小于5微秒，优选地在小于2微秒的时段的短关断时段内自动关断电源开关5。在不涉及控制单元8的情况下硬连线地执行关断。在可能的实施例中，传感器组件4包括线圈，该线圈适于测量流经传感器组件4的电流I的电流上升速度dI/dt。传感器组件4直接产生与流过线圈4的电流(dI/dt)的变化成比例的感应电压UL。在可能的实施例中，如果电流I具有大约5安培/微秒的电流上升速度，则施加到驱动器电路6的所产生的感应电压UL足以触发串联连接到传感器组件4的电源开关5的关断操作。线圈4的电感L可以单独地适配于所使用的电源开关5的物理限制。硬件传感器组件4对于环境影响是非常稳健的，并且不涉及任何电子电路来生成感测电压ΔU4。因此，硬件传感器组件4在负载保护装置1的操作期间发生故障的概率非常低。与诸如微分器的电子电路相比，硬件传感器组件、特别是线圈的使用使得负载保护装置1非常鲁棒并且增加了其操作寿命。关断操作由驱动器电路6执行，而不涉及相对慢控制单元8。因此，由传感器组件4物理地产生的电压ΔU4触发的关断操作仅由驱动器电路6的硬件执行，如图10的电路图中也示出的。传感器组件4非常灵敏，并且甚至在流到电负载的电负载电流IL达到可能损坏所连接的电负载的组件的高电流水平之前，传感器组件4产生感测电压ΔU4。因此，负载保护装置1包括保护机构，该保护机构比传统的保护装置快至少约50倍。由硬件驱动器电路6提供的非常快的关断操作确保在过电流或短路电流情况下仅将小的保护电能传递到所连接的电负载。因此，通过根据本发明的负载保护装置1的保护机构，即使是所连接的电负载的敏感电气组件也被有效地保护。负载保护装置1的保护机制，即过电流保护电路1A和过载保护电路1B，不仅保护所连接的电负载的电气组件，而且保护集成在负载保护装置1的壳体中的电源开关5。因此，根据本发明的负载保护装置1具有集成的自保护机构，以提供集成在负载保护装置1中的组件的自保护。在可能的实施方式中，电源开关5处的电力被限制为预定操作功率的大约80％。
在已经关断电源开关5之后，在已经满足预定接通条件的情况下，可以再次接通电源开关5。在成功地清除了关断原因之后，可以再次接通电源开关5。因此，根据本发明的负载保护装置1可以在已经触发关断之后再次使用。在可能的实施方式中，电源开关5可以在可配置的等待时段已经期满之后和/或在已经成功地清除关断原因之后再次接通。
在可能的实施方式中，控制单元8的微处理器或处理器8A可以计算电源开关5的当前操作状态，特别是电源开关5的电流耗散功率和/或操作温度T。在电源开关5的监测功率或电源开关5的温度T超过容许极限的情况下，控制单元8可以在可能的实施方式中发出优先警报。控制单元8可以观察到电源开关5的功率和温度的变化，并且可以在已经达到临界范围的情况下触发关断。
所施加的电流相位L可以包括例如50Hz或60Hz的频率。在可能的实施例中，传感器组件4可以包括具有小于1毫亨的电感L的线圈。
在可能的实施例中，控制单元8的处理器8A是可编程的，并且可以利用在所连接的电负载中实现的和/或在负载保护装置1本身中实现的组件的程序模型。在可能的实施例中，可以配置所采用的模型的模型参数。这些参数例如可以包括所连接的电负载的正常操作电流以及所连接的电负载的跳闸类别。在可能实施例中，控制单元8适于基于由电流测量组件7测量的电流分布并且基于所连接的电负载的至少一个参数来导出所连接的电负载的组件的温度分布和/或负载保护装置1的组件的温度分布，并且如果检测到偏离预定温度范围，则可以控制驱动器电路6关断电源开关5。参数可以例如包括所连接的电负载的设置电流或跳闸类别。此外，控制单元8可以被编程为具有可配置的等待时段。例如，根据温度分布，在电源开关5可以被再次接通之前，相应的等待时段必须期满。在所施加的总电压UΣ超过可配置的阈值电压UTH的情况下，驱动器电路6可以独立于控制单元8操作以在短暂的反应时间内关断相关联的电源开关5。沿着电源开关5的电压降ΔU5对应于流动的电流的幅度或电平。沿着传感器组件4的电压降ΔU4对应于经由传感器组件4和电源开关5流到电负载的电流的电流上升速度。在临界操作状态中，两个电压降ΔU4、ΔU5相加并作为总电压UΣ施加到驱动器电路6，使得在临界操作状态出现的初始阶段中已经可以检测到临界操作状态。如图9、图10的电路图中所示，将总电压U∑施加到集成驱动器电路芯片6仅需要该芯片的一个输入引脚，由此促进集成在熔丝壳体12中的负载保护装置1的小型化。
驱动器电路6可以控制相关联的电源开关5，该电源开关5在可能的实施方式中可以包括氮化镓MOSFET，该氮化镓MOSFET在关断状态下具有至少800V的高电压耐久性，并且在其接通状态下具有低阻抗。在其他可能的实施方式中，电源开关5还可以包括SiC功率MOSFET或SiAlN MOSFET。
还如图11所示，负载保护装置1可以包括使用不同测量技术的若干冗余保护机构。
负载保护装置1可以包括若干保护机构，特别是由沿着传感器组件4的压降ΔU4提供的第一保护机构、由沿着电源开关5的压降ΔU5提供的第二保护机构以及由电流测量组件7提供的第三保护机构。在短路电流的情况下，传感器组件4和电源开关5触发驱动器电路6以执行非常快的关断操作。电流测量组件7还在过载的情况下提供保护。相应地，负载保护装置1提供对电负载的保护，但是也提供了电子过载和过电流保护，该电子过载和过电流保护可以在电源开关5已经关断之后，特别是在可编程等待时段已经期满之后再次使用。
图9示出了用于示出负载保护装置1的可能的示例性实施方式的电路图，提供与负载保护装置1连接的电负载的切换和/或保护。在所示的实施方式中，负载保护装置1包括输入端子2，用于从具有例如400V的电压的供电网络PSN接收相电源电压U。在所示的示例性实施例中，从输入端子2到输出端子3的每个信号路径包括电源开关5和相关联的传感器组件4对。图9所示的电路对于供应到负载保护装置1的AC电流的正电流半波和负电流半波是对称的。在负载保护装置1的输入端子2和输出端子3之间，设置有第一线圈4-1和第二线圈4-2。每个线圈4-1、4-2包括相关联的电源开关5-1、5-2，如图9的电路图所示。在所示的示例性实施方式中，线圈4-1、4-2都具有2.2微亨的电感L。在所示实施方式中，电源开关5-1、5-2由功率MOSFET实现。可以在可能的实施方式中提供变阻器VAR以消除干扰。在所示的实施方案中，二极管D可并联连接到每一线圈4-1、4-2以减少自感应。电源开关5-1、5-2都连接到桥式整流器电路，该桥式整流器电路在所示实施方式中包括两对互补晶体管Q1至Q4。在桥式整流器电路的输出侧，可以提供电容器C以提供预定的最小延迟。电阻器R1、R2都包括能够被配置为调节图9所示电路的灵敏度的电阻。如图9所示，驱动器电路6连接到桥式整流器电路的输出，以接收电源开关5-1或电源开关5-2和传感器组件4-1或传感器组件4-2的总电压UΣ，并反过来在两个示出的电源开关5-1、5-2的栅极上施加控制电压。驱动器电路6适于根据由传感器组件4-1或传感器组件4-2直接产生的电压来检测发生的过电流，特别是短路电流，并且在时间段，特别是在小于5微秒的关断时段内，在检测到在输入端子2和输出端子3之间的电流路径中流动的短路电流时关断相关联的电源开关5-1或电源开关5-2，以保护与负载保护装置1的输出端子3连接的电负载。
图10示出了可以在根据本发明的负载保护装置1中使用的驱动器电路6的可能的示例性实施例的框图。在所示的示例性实施例中，驱动器电路6包括由英飞凌科技公司制造的单个IGBT驱动器IC ICIED020/12-B2。在部分ASIC中也可以使用其他驱动器电路。从图10的框图可以看出，驱动器电路6包括由变压器T1、T2电隔离的两个分离的电路半部。图10所示的驱动器电路6的左侧连接到控制单元8，以从控制单元8接收控制信号，特别是响应于控制指令或取决于测量的电流分布。如图10所示的电路图的驱动器电路6的左侧上的低电压侧经由变压器连接到设置在图10所示电路的右侧上的高电压侧。由沿着传感器组件4的电压降ΔU4和沿着电源开关5的电压降ΔU5组成的总电压U∑在所示实施方式中被施加到驱动器电路6的DESAT输入引脚，并且通过驱动器电路6的比较器K3与例如图10所示的9伏的可配置阈值电压UTH进行比较。如果超过可配置阈值电压UTH，则二进制信号通过多个栅极以驱动运算放大器并产生输出到功率MOSFET 5-1、5-2的栅极的控制关断信号，以在小于5微秒的非常短的反应时间内关断两个功率MOSFET。图10所示的驱动器电路6包括两个电隔离的部分。驱动器电路6可以连接到构成控制单元8的一部分的标准5伏特DSP或微控制器8A，其中CMOS输入/输出连接到低电压侧。从图10的电路图可以看出，仅在驱动器电路6的高电压侧提供用于响应于所施加的总电压U∑而关断电源开关5-1、5-2的关断回路，使得反应时间非常短，这是因为逻辑信号经由驱动器电路6的高电压部分的逻辑门传播的传播时间很小。关断保护回路不包括控制单元8，该控制单元8主要用于响应于接收到接通/关断命令CMD的正常接通和/或关断操作，并且还用于对流向所连接的电负载的电力的供电控制，特别是在软启动期间。在可能的实施方式中，传感器组件4和电源开关5以及驱动器电路6可以集成在熔丝壳体12中，该熔丝壳体12插入放置在印刷电路板PCB上的熔丝保持器中。
在可能的实施方式中，传感器组件4可以由不同于线圈的另一个组件来实现，特别是由具有相应的局部测量电路的电阻器来实现，所述局部测量电路适于直接生成与流过相应感测电阻器的电流I的电流上升速度相对应的电压U。电阻器可以是NTC或PTC电阻器。在可能的实施例中，所使用的电阻器4的电阻可以是温度相关的。而且，取决于温度的电阻可以被单独地配置到相关联的电源开关5的物理限制。
在另一实施例中，所连接的电负载的数据模型可以存储在存储器中并且由控制单元8的处理器8A评估，以向所连接的电负载提供过载和/或过电流保护。负载保护装置1可以包括LED，以用信号通知负载保护装置1的当前操作状态，特别是其集成电源开关5的当前操作状态。在可能的实施方式中，显示元件还指示通过关断集成电源开关5已经触发了什么安全机构或保护机构。在该实施方式中，可以通知自动化系统的用户或操作者，电源开关5的关断是由于检测到的电流的高电流上升速度引起的，还是由于确定的或检测到的电源开关5的过载或检测到的连接的电负载的过载引起的，还是由于考虑到由电流测量组件7量的电流分布的过载检测引起的。在又一可能的实施例中，还可以经由负载保护装置1的数据接口或者经由端子2将关于电源开关5的关断原因的信息输出到例如自动化系统的远程控制器，该远程控制器包括连接到负载保护装置1的输出端子3的受保护的电负载。在又一可能的实施方式中，负载保护装置1可以包括本地数据存储器以存储日志数据。日志数据可以包括关于在自动化系统的操作期间或在所连接的电负载的操作期间执行的关断操作的数据。在可能的实施方式中，可以评估存储的日志数据以分析在自动化系统的运行期间已经发生的关键运行状态。
在又一可能的实施例中，继电器电路可以与电源开关5串联连接。在可能的实施例中，小型继电器电路可以集成在熔丝壳体12中。用于不同相的继电器电路可以使用电源相的改变或顺序和/或提供电流分离。在由驱动器电路6或由控制单元8控制的关断操作期间，电源开关5可以在关联继电器电路之前关断，而在接通操作期间，在驱动器电路6的控制下或在控制单元8的控制下，继电器电路在关联的电源开关5之前接通。这确实最小化了继电器电路的接触磨损并且提高了防止电源开关5故障的安全性。此外，接通和关断序列使得可以检测电源开关5的故障。
在根据本发明第一方面的负载保护装置1的又一可能实施例中，用于不同电负载的不同模型和/或负载操作特性可以被存储在控制单元8的配置存储器，以根据所测量的电流分布和/或电压分布以及根据所连接的电负载的至少一个参数为相应电负载提供匹配的负载保护。
图11示意性地示出了负载保护装置1的操作架构，负载保护装置1包括冗余保护机构和不同的测量技术，以提供负载保护装置1本身的过载和/或过电流保护，特别是其电源开关5，以及还用于连接到负载保护装置1的电负载。不同的冗余保护机构在其检测的内容(dI/dt、Imax、Ilimit、Icontinuous)、其各自的反应时间和测量精度方面有所不同，如图11所示。即使一个保护机构可能失效，负载保护装置1的另一个保护机构仍然可以被应用。
根据本发明的负载保护装置1提供所连接的电负载的优化的起动操作和关断。此外，在不同的操作阶段或状态期间连接的电负载的损耗被最小化，以使电负载的操作寿命最大化。
根据本发明的电子负载保护装置1可用于替换插入电子电路的熔丝保持器中的现有传统熔丝。负载保护装置1的壳体具有与诸如熔化熔丝的传统熔丝的壳体相同的形式。例如，壳体具有与NH熔丝相同的形式和电触点。
通过用电子负载保护装置1代替传统的熔丝，不仅实现了对过电流的显著快速且因此更可靠的保护，而且负载保护装置1可以被重新使用并且在发生过电流事件之后仍然可操作。此外，负载保护装置1还提供针对过载情况的保护，并且甚至可以提供电源控制。
图12示出了集成在陶瓷NH熔丝壳体12中的电子负载保护装置1的可能实施例，陶瓷NH熔丝壳体12具有分别与输入端子2和输出端子3连接的两侧上的金属叶片14A、14B。此外，可以设置提取凸耳13A、13B以从熔丝保持器提取负载保护装置1。
可以在负载保护装置1的壳体12上指示端子2、3的连接性。此外，用户接口15的显示元件(例如LED)可以集成在壳体12中，以指示电子负载保护装置1的操作状态。可以集成另外的显示元件以显示所连接的负载的瞬时操作模式和/或已经通过集成的电源开关5触发关断操作的故障原因。

Claims (29)

1.一种负载保护装置，其用于保护与该负载保护装置(1)的输出端子(3)连接的电负载免受过电流，所述负载保护装置(1)包括：
过电流保护电路(1A)，其具有至少一个输入端子(2)，该输入端子(2)适于从电源网络接收电源电压，并且具有电源开关(5)，所述电负载经由所述输出端子(3)通过该电源开关(5)接收电负载电流，并且具有电流上升速度传感器组件(4)，该电流上升速度传感器组件(4)与所述电源开关(5)串联连接，并且适于直接产生与经由所述电流上升速度传感器组件(4)和所述电源开关(5)从所述负载保护装置(1)的输入端子(2)流到所述输出端子(3)的所述电负载电流的电流上升速度相对应的电压降，并且具有驱动器电路(6)，该驱动器电路(6)适于根据由所述电流上升速度传感器组件(4)产生的电压降并且根据沿所述电源开关(5)的电压降来检测发生的过电流，并且所述驱动器电路(6)适于在预定的关断时段内检测到过电流时关断所述电源开关(5)，其中，所述驱动器电路(6)能够独立于所述负载保护装置(1)的控制单元(8)操作，以在所产生的电压降加上沿着所述电源开关(5)的电压降作为施加到所述驱动器电路(6)的驱动输入上的总电压超过可配置的阈值电压的情况下通过关断所述电源开关(5)提供针对过电流的保护，所述负载保护装置(1)进一步包括：
过载保护电路(1B)，所述过载保护电路(1B)具有负载电流传感器组件(7)，所述负载电流传感器组件(7)适于连续测量被通知给所述负载保护装置(1)的所述控制单元(8)的流到所述输出端子(3)的负载电流，所述控制单元(8)适于基于所测量的负载电流分布来确定所连接的电负载的过载状态和/或类型，其中，所述电负载的类型包括电阻性、电感性或电容性负载类型。
2.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述关断时段由经由所述驱动器电路(6)的高电压侧的逻辑门传播的逻辑信号的传播时间预定义，其中，所述关断时段小于5微秒。
3.根据权利要求1或2所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)适于如果由所述控制单元(8)确定电负载的过载状态则控制所述驱动器电路(6)以关断所述电源开关(5)，并且如果由所述控制单元(8)确定所述电负载的过载状态则控制与所述电源开关(5)串联连接的机电继电器以中断电流流动。
4.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述过电流保护电路(1A)的电流上升速度传感器组件(4)包括线圈，该线圈适于根据流过所述过电流保护电路(1A)的电流上升速度传感器组件(4)的负载电流的电流上升速度来产生感应电压降。
5.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述过载保护电路(1B)的负载电流传感器组件(7)包括霍尔传感器、GMR传感器、分流电阻器或变压器，其适于连续测量流到负载保护装置(1)的输出端子(3)的负载电流以提供负载电流分布。
6.根据权利要求1所述的负载保护装置，负载保护装置进一步包括电源控制电路(1C)，所述电源控制电路(1C)具有至少一个电压传感器组件(9)，该电压传感器组件(9)由分压器形成，该分压器适于将所述输入端子(2)或输出端子(3)处的电源电压的一部分提供给所述负载保护装置(1)的控制单元(8)，以提供电源电压分布。
7.根据权利要求6所述的负载保护装置，其中，所述过载保护电路(1B)的负载电流传感器组件(7)和所述电源控制电路(1C)的至少一个电压传感器组件(9)被连接到相关联的模数转换器(10、11)，该模数转换器(10、11)适于将测量的模拟负载电流分布和测量的电源电压分布转换成存储在所述控制单元(8)的数据存储器(8B)中的相应测量值，作为负载电流分布数据和电源电压分布数据。
8.根据权利要求7所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)的处理器或FPGA(8A)适于：基于存储在所述控制单元(8)的数据存储器(8B)中的负载电流分布数据和电源电压分布数据来计算功率因数。
9.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)适于：在接收到控制命令(CMD)时控制所述负载保护装置(1)的驱动器电路(6)，使得所述电源开关(5)根据接收到的控制命令(CMD)被接通或关断，其中，所述负载保护装置(1)的控制单元(8)适于：从所述负载保护装置(1)的用户接口(15)、从连接到所述负载保护装置(1)的计算机、或者从自动化系统的存储程序控制来接收所述控制命令(CMD)。
10.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述电源开关(5)包括IGBT或功率MOSFET。
11.根据前述权利要求8至10中任意一项所述的负载保护装置，其中，所述负载保护装置(1)的控制单元(8)适于：基于所连接的电负载的至少一个操作参数P并基于所存储的分布数据，来导出所述电负载的组件的温度分布或所述负载保护装置(1)的组件的温度分布，并且进一步适于如果检测到所导出的温度分布与预定温度范围的偏差，则控制所述驱动器电路(6)关断所述电源开关(5)。
12.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，在可配置的等待时段之后、或在成功清除关断原因之后、或如果满足其他预定的接通条件，则接通所述电源开关(5)。
13.根据权利要求1所述的负载保护装置，所述负载保护装置包括为所述电源网络的不同相提供的不同输入端子(2)，其中，每个输入端子(2)经由信号路径连接到输出端子(3)，其中，每个信号路径包括1对电源开关(5-1,5-2)和相关联的电流上升速度传感器组件(4-1,4-2)。
14.根据权利要求13所述的负载保护装置，其中，设置在所述输入端子(2)和所述输出端子(3)之间的信号路径中的每对电源开关(5-1,5-2)包括设置用于AC电流的正电流半波的第一电源开关(5-1)和设置用于AC电流的负电流半波的第二电源开关(5-2)。
15.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述驱动器电路(6)包括：与所述控制单元(8)连接的低电压侧以及与所述电源开关(5)连接的高电压侧，其中，所述驱动器电路(6)的低电压侧和高电压侧彼此电隔离。
16.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)适于：根据计算的功率因数，来执行相位角控制或将预定义的开关模式应用于所述电源开关(5)。
17.根据前述权利要求8至10中任意一项所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)的处理器或FPGA(8A)能够访问存储在所述控制单元(8)的负载特性存储器(8C)中的所连接的电负载的至少一个负载操作特性，所述操作特性指示至少一个可允许操作区域、至少一个临界操作区域和/或至少一个不可允许操作区域的操作参数，其中，操作参数(PA、PB)包括作为第一操作参数的负载电流与所连接的电负载的额定电流之间的比率以及作为第二操作参数时间。
18.根据权利要求17所述的负载保护装置，其中，所述控制单元(8)的处理器或FPGA(8A)适于：相对于存储在负载特性存储器(8C)中的所述电负载的负载操作特性来评估存储在所述控制单元(8)的数据存储器(8B)中的负载电流分布数据或电源电压分布数据，以确定不同操作参数(PA、PB)的操作参数组合是否处于存储在所述控制单元(8)的负载特性存储器(8C)中的负载操作特性的临界或不可允许操作区域中。
19.根据权利要求18所述的负载保护装置，其中，如果操作参数(PA、PB)的操作参数组合被确定为处于所述电负载的负载操作特性的临界操作区域中，则所述控制单元(8)经由所述负载保护装置(1)的用户接口(15)输出警告信号，其中，如果操作参数(PA、PB)的操作参数组合被确定为处于所述电负载的负载操作特性不允许操作区域中，则所述控制单元(8)适于自动生成施加到所述电源开关(5)的关断控制信号，以关断所述负载电流。
20.根据前述权利要求13至16中任意一项所述的负载保护装置，其中，所述负载保护装置(1)的控制单元(8)适于：确定在不同输入端子(2)处接收到的电源电压(U)和在不同的输出端子(3)处针对不同相提供的负载电流是否指示基于存储在所述控制单元(8)的数据存储器(8B)中的电源电压分布数据，通过与所述负载保护装置(1)的输入端子(2)连接的供电网络对所连接的电负载进行对称供电，并且其中，所述负载保护装置(1)的控制单元(8)适于基于存储在所述控制单元(8)的数据存储器(8B)中的分布数据来确定电负载是否连接到所述输出端子(3)其中，如果供电网络对所述负载保护装置(1)的非对称供电和/或所述负载保护装置(1)对所连接电负载的非对称供电被所述控制单元(8)识别，则所述控制单元(8)适于自动关断所述电源开关(5)。
21.根据权利要求1所述的负载保护装置，其中，所述电流上升速度传感器组件(4)包括小于1毫亨的电感L。
22.一种自动化系统，其包括根据前述权利要求1至21中任意一项所述的负载保护装置(1)和与所述负载保护装置(1)的输出端子(3)连接的电负载。
23.一种用于保护与负载保护装置(1)的输出端子(3)连接的电负载免受过电流的方法，所述方法包括以下步骤：
-在所述负载保护装置(1)的过电流保护电路(1A)的至少一个输入端子(2)处从电源网络接收电源电压，其中，所述过电流保护电路(1A)具有电源开关(5)，电负载经由所述输出端子(3)通过该电源开关(5)接收电负载电流；
-由与所述电源开关(5)串联连接的电流上升速度传感器组件(4)直接产生与经由所述电流上升速度传感器组件(4)和所述电源开关(5)从所述输入端子(2)流到所述输出端子(3)的所述电负载电流的电流上升速度相对应的电压降；
-由所述过电流保护电路(1A)的驱动器电路(6)根据由所述电流上升速度传感器组件(4)产生的电压降并且根据沿着所述电源开关(5)的电压降来检测发生的过电流；
-通过所述驱动器电路(6)在预定的关断时段内检测到过电流时自动关断所述电源开关(5)，其中，所述驱动器电路(6)独立于所述负载保护装置(1)的控制单元(8)操作，以在所产生的电压降加上沿着所述电源开关(5)的电压降作为施加到所述驱动器电路(6)的驱动输入上的总电压超过可配置的阈值电压的情况下通过关断所述电源开关(5)提供针对过电流的保护；
-由所述负载保护装置(1)的过载保护电路(1B)的负载电流传感器组件(7)连续地测量流到所述输出端子(3)的负载电流，并将所测量的负载电流通知给所述负载保护装置(1)的控制单元(8)；
-由所述控制单元(8)基于所测量的负载电流分布来确定过载状态和所连接的负载的类型，其中，所述电负载的类型包括电阻性、电感性或电容性负载类型。
24.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-基于由所述负载电流传感器组件(7)测量的负载电流分布和由所述负载保护装置(1)的电源控制电路(1C)的电压传感器组件(9)测量的电源电压分布，控制由所述控制单元(8)提供给所述电负载的电力，以提供过载保护。
25.根据权利要求23所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
-如果所连接的电负载的过载状态由所述控制单元(8)确定，则在所述控制单元(8)的控制下由所述驱动器电路(6)关断所述电源开关(5)。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，提供给所述电负载的电力由所述控制单元(8)根据确定的所连接的电负载的类型来控制。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述预定关断时段在2微秒和1毫秒之间的范围内是硬连线的。
28.一种熔丝壳体(12)，其包括根据前述权利要求1至21中任意一项所述的负载保护装置(1)，所述负载保护装置(1)集成在所述熔丝壳体(12)中。
29.根据权利要求28所述的熔丝壳体，其包括NH熔丝壳体。
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