DE10126177A1 - Schalteinrichtung zur Überwachung einer elektrischen Last - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer elektrischen Last (10) an einem Netz (12) und zur Steuerung des Netzschalters (14, 20), wobei die Last (10) galvanisch getrennt von einer über überwachenden Schalteinrichtung (50) angeordnet ist. Dieser Schalteinrichtung (50) sind weiterhin mindestens Betriebskennwertesensor (30), mindestens eine Speichereinrichtung für Eigenschaftskennwerte der Last (10) und mindestens eine weitere Speichereinrichtung zugeordnet. In der weiteren Speichereinrichtung sind bei Initialisierung der Schalteinrichtung (50) und/oder während der Überwachung Betriebskennwerte der Last (10) ablegbar. Die Steuerung des Netzschalters (14, 20) ist so ausgelegt, dass dieser bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Betriebskennwerts öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer elektrischen Last an einem elektrischen Gleichstrom- oder Wechselstromnetz und zur Steuerung des Netzschalters. Der Netzschalter soll über potenzialfreie Kontakte ansteuerbar sein, und kann vorzugsweise als Relais ausgebildet sein.

Als typische Verwendung für die Erfindung wird beispielhaft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Relaisausgängen bei einem Motorantrieb für einen Leistungs­ schalter oder einen Motorschutzschalter betrachtet.

Bekannt ist es, derartige Schaltungsanordnungen als Verstärkerbaustein auszubilden (DE 196 27 295 A1). Die Ansteuerung des Verstärkerbausteins erfolgt hierbei mit einem Eingangssignal von 24 VDC. Das Eingangssignal kann direkt von einem Schalter, von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder von extern über einem Daten­ bus erzeugt werden. Durch dieses Signal wird ein Relais mit potenzialfreien Kontakten angesteuert.

Diese Anordnung hat Nachteile. Bei der Ansteuerung über konventionelle Relaisaus­ gänge wird der einphasige Motorantrieb ausschließlich ein- bzw. ausgeschaltet. Das komplizierte mechanische Gebilde eines Motorantriebes kann jedoch mit der Zeit zu Fehlfunktionen führen, die zu einer Überlast führen können. Um die Überlast zu erfas­ sen, wird nach dem Stand der Technik statt einem Relaisausgang, ein Halbleiteraus­ gang mit zugehörigem Steuer- und Messteil angewendet. Bei dieser Lösung ist die gal­ vanische Trennung zum Motor nicht mehr vorhanden.

Es ist weiterhin ein Modul zur Motorsteuerung und -überwachung bekannt (US 5.657.193), das bei Überschreiten bestimmter vorgebbarer, also statischer Betriebswerte, bei Kurzschluss oder bei Fehlerstrom das Abschalten des Motors veranlasst. Das Modul ist nicht einsetzbar für die dynamische Überwachung von Betriebszuständen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schalteinrichtung zur Laststeuerung mit galvani­ scher Trennung anzugeben, mit der die Lastverhältnisse kontinuierlich überwacht und mit der bei Überschreiten eines zulässigen Betriebswerts die Last abgeschaltet werden kann.

Der Kern der Erfindung ist eine Schalteinrichtung zur Überwachung einer elektrischen Last an einem Netz und zur Steuerung des Netzschalters, wobei die Last galvanisch getrennt von der Überwachungseinrichtung angeordnet ist. Dieser Schalteinrichtung sind weiterhin mindestens ein Betriebskennwertesensor, mindestens eine (erste) Speicher­ einrichtung für Eigenschaftskennwerte der Last und mindestens eine (zweite) Speicher­ einrichtung zugeordnet. In die zweite Speichereinrichtung sind bei Initialisierung der Schalteinrichtung und/oder während der Überwachung Betriebskennwerte der Last ablegbar. Die Steuerung des Netzschalters ist so ausgelegt, dass bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Betriebskennwerts der Netzschalter öffnet.

Als Betriebskennwerte der Last werden sowohl statische als auch dynamische Betriebs­ parameter angesehen.

Weiterführende Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen formuliert.

Insbesondere wird als Erfindung vorgeschlagen, eine Motorsteuerung mit galvanischer Trennung und variabler Spannungsversorgung anzugeben, mit der die Lastverhältnisse des Motorantriebes kontinuierlich überwacht und/oder (vorzugsweise über einen Feld­ bus) signalisiert werden und mit der bei Überlastung des Motors der Motorantrieb über ein Relais abgeschaltet wird.

Der Relaisausgang wird von der Schalteinrichtung (Mikroprozessor oder diskret aufge­ baute Schaltung) angesteuert. Der Mikroprozessor kann über einen 24 VDC-Eingang angesteuert werden. Der Schalteinrichtung umfasst vorzugsweise eine Datenschnitt­ stelle (beispielsweise zu einem Datenbus), mindestens einen Informationsspeicher, eine Dateneingabe (beispielsweise eine Tastatur) und eine Datenausgabeeinrichtung (bei­ spielsweise ein Display). Die Ansteuerung des Netzschalters in Form eines Relaisaus­ gangs kann über Softwarebefehle, über einen digitalen Eingang oder über eine (serielle) Datenschnittstelle erfolgen. Über die Schalteinrichtung werden Betriebsdaten der Last laufend überwacht und nach Vorgabe eines vorwählbaren Überwachungszustandes ab­ gespeichert. Die Betriebsdaten werden vorzugsweise über einen Stromsensor ermittelt.

Die Schalteinrichtung ist auf Überlastschutz eingestellt. Die Einstellung kann als Pro­ grammierung oder in Festeinstellung (als ASIC) vorgenommen werden. Im Betrieb wird der fließenden Strom jeweils mit dem maximal zulässigen Grenzstrom verglichen und im Überlastiall wird der Netzschalter geöffnet, d. h. das Relais ausgelöst und damit die Re­ laiskontakte geöffnet.

Zur Initialisierung können von einem Anwender die Eigenschaftskennwerte der Last (bei­ spielsweise den Motorantriebstyp) menügeführt über die Benutzerschnittstelle eingege­ ben werden. Die Art des Überlastschutzes wird automatisch über ein Voreinstellung von der Schalteinrichtung (beispielsweise einem Mikroprozessor) übernommen. Der Anwen­ der kann weiterhin durch Eingabe der Betriebsspannung und der Betriebsart der Last (Gleichstrom, Wechselstrom, induktive Last, rein ohmsche Last, etc.) den Überlast­ schutz konfigurieren. Aus der Vielzahl der möglichen Voreinstellungen der Schaltein­ richtung wird der zugehörige maximale Strom für die Steuerung des Netzschalters au­ tomatisch zugeordnet. Der Strom wird kontinuierlich oder in fest vorgegebenen Zeittak­ ten überwacht. Der Takt kann entweder als fester Takt (beispielsweise 800 µsec) oder als freier Takt eingestellt sein. So kann beispielsweise der Anlaufstrom eines Motoran­ triebs als Kennlinie abgespeichert sein. Beim Erreichen oder Überschreiten des Über­ laststrom zu einem beliebigen oder einem oder mehreren vorgebbaren Zeitpunkten wird der Netzschalter geöffnet. Zumindest ist vorgesehen, dass eine Signalisierung über den Betriebszustand erfolgt, wenn vorgebbare Betriebskennwerte während der Überwa­ chung erreicht oder überschritten werden. Die Signalisierung kann auch mit einer Ablage von Signaldaten in einem Speicher verknüpft sein.

Der Kurzschlussschutz der Last wird auf konventionelle Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Sicherung realisiert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung bestehen in Folgendem:
Die Schalteinrichtung ist als Mikroprozessor, als integrierte Schaltung oder als speicher­ programmierbare Steuerung ausgebildet. Beispielsweise kann die Schalteinrichtung als intelligente Steuerung nach dem Vorbild der DE 198 35 506 A1 ausgebildet sein.

Die Schalteinrichtung umfasst Steuermittel, die der Steuerung der Spannungsversor­ gung der Last dienen. Mit einer Steuerung der Spannungsversorgung der Last lässt sich die Spannungsversorgung nach vorgegebenen Kennwerten variabel gestalten.

Der Betriebskennwertesensor ist als digitaler oder als analoger Wandler ausgebildet. Es gibt eine Reihe von Sensortypen, die hierfür geeignet sind. Wesentlich im Zusammen­ hang mit der Erfindung ist, dass der Sensor ohne galvanischen Eingriff angeschlossen ist.

Vorzugsweise ist der Betriebskennwertesensor ein Stromwandler. Es ist mindestens eine Speichereinrichtung für vom Betriebskennwertesensor übermittelte Signale vorhan­ den. Die Schalteinrichtung ist über Datenfernübertragung ansteuerbar und/oder über­ wachbar. Der Netzschalter ist als Relais ausgebildet. Die Schalteinrichtung ist als Mo­ torsteuerung ausgebildet. Die Schalteinrichtung ist in einem Verstärkermodul für die An­ steuerung von Motorantrieben integriert.

Jede Last (beispielsweise ein Motorantrieb) hat im Neuzustand einen bekannten Strom­ verbrauch. Zu den möglichen Voreinstellung der Schalteinrichtung gehören auch die Ei­ genschaftskennwerte im Neuzustand. Im Laufe der Betriebszeit kann dann überhöhter Strom ermittelt werden, so dass damit auch auf mechanischen Verschleiß der Last zu­ rückführbare Kennwertänderungen ermittelbar sind. Die ermittelten Daten können zur Signalisierung und/oder zur Ab- oder Umschaltung verwendet werden.

Vorteile, die mit der Erfindung erreicht werden können, bestehen darin, dass der poten­ zialfreie und galvanisch getrennte Relaisausgang durch entsprechende Parametrierung (bezüglich Nennstrom, Lastart) überlastgeschützt betrieben werden.

Die Erfindung wird ausführlich anhand der Figuren dargestellt. Es zeigen im Einzelnen

Fig. 1 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine dritte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 liegt eine elektrische Last 10, beispielsweise ein Motorantrieb für einen Leis­ tungsschalter an der Netzspannung 12 und ist über einen als Relaiskontakt ausgebilde­ ten Schalter 14 und dem zugehörigen Schalterantrieb vom Netz trennbar. Die Schalter­ betätigung erfolgt über ein Magnetsystem 20. Die Verbindungsleitung 18 soll die Steuer­ barkeit der Versorgungsspannung durch eine Schalteinrichtung 50 andeuten.

Das Relaismagnetsystem 20 wird über einen Relaiseingang 24 der als Mikroprozessor ausgebildeten Schalteinrichtung 50 angesteuert. Die Schalteinrichtung 50 kann insbe­ sondere Teil eines elektronischen Steuerrelais sein. Der Schalteinrichtung 50 kann noch ein digitalen Eingang 52 (24 VDC) und eine Datenschnittstelle 54 zugeordnet sein, mit denen die Schalteinrichtung 50 ansteuerbar ist. Zeichnerisch im Einzelnen ist nicht dar­ gestellt, dass die Schalteinrichtung 50 noch weitere flüchtige oder feste Informations­ speicher und eine Benutzerschnittstelle umfassen kann. Die Benutzerschnittstelle kann eine Dateneingabeeinrichtung (z. B. eine Tastatur) und eine Datenausgabeeinrichtung (z. B. ein Display) beinhalten. Die Ansteuerung des Relaisausgangs 24 kann über Soft­ warebefehle, über den Eingang 52 oder über eine (serielle) Datenschnittstelle 54 erfol­ gen. Die Schalteinrichtung 50 überwacht laufend Betriebsdaten des Motorantriebs, wo­ bei die Betriebsdaten mit Daten verglichen werden, die nach Vorgabe verschiedener vorwählbarer Überwachungszustände in der Schalteinrichtung 50 abgespeichert sind. Die Betriebsdaten werden in diesem Ausführungsbeispiel in Form des Laststroms des Relais 14, 20 über einen Stromsensor 30 ermittelt. Dabei wird der Strom jeweils mit dem maximal zulässigen Grenzstrom verglichen und im Überlastiall wird (bei Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts) der Relaisausgang 24 abgeschaltet. Der Stromsensor 30 kann als Stromwandler oder als Hall-Sensor ausgebildet sein und wird einem A/D- Wandler in der als Mikroprozessor ausgeführten Schalteinrichtung 50 zugeführt.

Die Initialisierung der Schalteinrichtung 50 auf Überlastschutz kann als Programmierung vorgenommen werden, oder sie erfolgt durch Datentransfer über die serielle Schnittstelle (Feldbus) oder durch Eingabe an der Benutzerschnittstelle.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann als Anordnung zum Schutz von (im Einzelnen nicht dargestellten) einphasigen Motorantrieben 10.1 und 10.2 (beispielsweise für Leistungsschalter) eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Relaismagnetsysteme 20.1 und 20.2 für die Netzunterbrecher 14.1 und 14.2 immer nur einzeln angesteuert. Es ist daher möglich, die Relaismagnet­ systeme 20.1 und 20.2 mit nur einem einzigen Stromsensor 30.1 zu überwachen. Die Anordnung nach Fig. 2 kann als integrierter Verstärkerbaustein ausgebildet sein.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung ist der Netzschalter 14, 20 als ein vier­ poliges Relais oder Kleinschütz mit den Relaiskontakten 14 und dem von der Schaltein­ richtung 50.1 gesteuerten Magnetsystem 20 ausgebildet. Über die den Netzschalter 14, 20 ist auch hier eine durch das Bezugszeichen 10 angedeutete Last an eine Drehstrom­ netz 12 mit Neutralleiter anschaltbar. Der Stromfluss über die Last 10 wird über einen Summenstromwandler 17 kontrolliert. Der Summenstromwandler 17 ist mit seinem Aus­ gang über einen Bürdenwiderstand 16 über einen einpoligen Relaiskontakt 15 geführt, der von einem zugehörigen Relaismagnetsystem 21 betätigt wird. Der zusätzliche Re­ laisausgang 24.1 der Schalteinrichtung 50.1 ist ständig aktiviert, um den Relaiskontakt 15 geschlossen zu halten. Der von dem Stromsensor 30 erfasste Summenstrom des Summenstromwandlers 17 wird der Schalteinrichtung 50.1 zur Auswertung zugeführt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dient damit der Erdschlussüberwachung. Der im klassischen Sinne zu bezeichnende Relaisausgang 24.1 der beispielsweise als elektro­ nisches Steuerrelais ausgebildeten Schalteinrichtung 50.1 kann durch seinen ständig geschlossenen Zustand als analoger Eingang für weitere Informationen genutzt werden. Die von dem Stromsensor 17 erfassten Messwerte können mittels des Schalteinrichtung 50.1 mit Parameterwerten bzw. Grenzwerten verglichen werden, die über beispielsweise über eine Tastatur oder eine serielle Schnittstelle 54 mitgeteilt werden. Beim Über­ schreiten der Parameterwerte (z. B. Betrag und Verzögerungszeit) durch den erfassten Summenstrom wird in der bereits zu Fig. 1 beschriebenen Weise die Last 10 über den Netzschalter 14, 20 im sinne einer Erdschlussabschaltung abgeschaltet.

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung mit einer Schalteinrichtung (50; 50.1) zur Überwachung einer elektrischen Last (10; 10.1; 10.2) an einem Netz (12) und zur Steuerung eines Netz­ schalters (14, 20; 14.1, 20.1; 14.2, 20.2) der Last (10; 10.1; 10.2), wobei die Last galva­ nisch getrennt von der Überwachungseinrichtung (50; 50.1) angeordnet ist und der Schalteinrichtung (50) weiterhin zugeordnet sind:
mindestens ein Betriebskennwerte der Last (10; 10.1; 10.2) erfassender Sensor (30; 30.1),
mindestens eine Speichereinrichtung für Eigenschaftskennwerte der Last (10; 10.1; 10.2),
mindestens eine Speichereinrichtung, in die bei Initialisierung der Schalteinrichtung (50) und/oder während der Überwachung Betriebskennwerte der Last (10; 10.1; 10.2) ablegbar sind, wobei die Schalteinrichtung (50; 50.1) bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Betriebskennwerts den Netzschalter (14, 20; 14.1, 20.1; 14.2; 20.2) öffnet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt­ einrichtung (50; 50.1) als Mikroprozessor, als integrierte Schaltung oder als speicher­ programmierbare Steuerung ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (50; 50.1) Steuermittel umfasst, die der Steuerung (18) der Span­ nungsversorgung (12) der Last (10; 10.1; 10.2) dienen.

4. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Überwachung der Betriebskennwerte in Zeittakten erfolgt.

5. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Signalisierung des Betriebszustands erfolgt.

6. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Betriebskennwertesensor (30) als digitaler oder als analoger Wand­ ler ausgebildet ist.

7. Schalteinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebskennwertesensor (30; 30.1) ein Stromwandler ist.

8. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mindestens eine Speichereinrichtung für vom Betriebskennwertesensor (30; 30.1) übermittelte Signale vorhanden ist.

9. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schalteinrichtung (50; 50.1) über Datenfernübertragung (54) ansteu­ erbar und/oder überwachbar ist.

10. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Netzschalter (14, 20; 14.1, 20.1; 14.2, 20.2) als Relais ausgebildet ist.

11. Schalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schalteinrichtung (50; 50.1) als Motorsteuerung ausgebildet ist.

12. Schalteinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (50; 50.1) in einem Verstärkermodul für die Ansteuerung von Motorantrieben integriert ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein mit der Last (10) verbundener Summenstromwandler (17) aus­ gangsseitig zusammen mit dem den Summenstrom erfassenden Stromsensor (30) über ein durch die Schalteinrichtung (50.1) ständig im eingeschalteten Zustand gehaltenes Kontaktsystem (21) eines weiteren Relais (15, 21) geführt ist.