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Die
Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für durch ein
Netzteil mit Spannung versorgte Automatisierungsgeräte
vor Überspannung mit mindestens einer Spannungsüberwachungseinheit
zur Bestimmung der am Ausgang des Netzteiles anliegenden mindestens
einen Versorgungsspannung und Vergleichen der Versorgungsspannung
mit zulässigen Überspannungsgrenzwerten und mit
mindestens einer durch die Spannungsüberwachungseinheit
angesteuerten Spannungsbegrenzereinheit.
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In
der Automatisierungstechnik einschließlich der Fertigungs-,
Gebäudeleit- und Fahrzeugtechnik werden Feldbussysteme
mit Feldbuskopplern und daran angeschlossenen Ein- und/oder Ausgabemodulen
zur Ankopplung von Sensoren und/oder Aktoren eingesetzt. Die Versorgung
der Automatisierungsgeräte, insbesondere der Feldbuskoppler
und der daran angeschlossenen Ein- und/oder Ausgabemodule (I/O-Module),
erfolgt mittels Netzteilen, die eine Versorgungsspannung von beispielsweise
24 Volt bereitstellen.
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In
dem Fall einer Überspannung kann es zu einem Ausfall oder
einer Zerstörung der an ein Netzteil angeschlossenen Automatisierungsgeräte
kommen. Dies kann ein sicherheitskritisches Verhalten der Automatisierungsgeräte
und der daran angeschlossenen Sensoren und/oder Aktoren sowie der durch
die Automatisierungsgeräte gesteuerten Prozesse zur Folge
haben. Im Falle eines Ausfalls von Automatisierungsgeräten
sind diese daher regelmäßig eigensicher aufgebaut,
um im Fehlerfall in einen sicheren Zustand überführt
zu werden.
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Herkömmliche
Automatisierungsgeräte sind daher so ausgelegt, dass sie
auch bei einer kurzzeitigen Überspannung kaputt gehen und
dabei in einen sicheren Zustand übergehen, was aber nicht
immer garantiert werden kann.
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Dennoch
ist es oftmals erforderlich und erwünscht, die Spannung
am Ausgang des Versorgungsnetzteils zu regeln und zu überwachen,
um einen Fehlerfall entweder zu vermeiden oder eine sichere Abschaltung
der Versorgungsspannung zu gewährleisten.
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DE 100 34 087 A1 offenbart
ein Feldbussystem mit Feldbuskopplern, die einen integrierten Spannungsregler
sowie eine Strombegrenzung haben. Die Spannungsversorgung der Feldbuskoppler erfolgt über
ein Netzteil, das einerseits die Feldbuskoppler mit einer Versorgungsspannung
versorgt und andererseits eine strombegrenzte Datenenergie zur Datenübertragung
bereitstellt.
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DE 44 13 383 A1 offenbart
eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Betriebsspannung für Eingabe-
und/oder Ausgabebaugruppen von Automatisierungsgeräten
zur Erzeugung wenigstens zweier Betriebsspannungen, von denen eine
stabilisiert und die andere potentialgetrennt ist. Es wird vorgeschlagen,
zwischen den Polen einer Gleichspannungsquelle einen Wechselrichter
mit galvanisch entkoppeltem Ausgang sowie eine Konstantstromquelle und
einen Spannungsregler, der durch Parallelstabilisierung eine Spannung
erzeugt, die kleiner als die Spannung der Gleichspannungsquelle
ist, in Reihe zu schalten.
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Aus
DE 88 12 781 U1 ist
ein eigensicheres Netzteil in Modultechnik bekannt, das mehrere
voneinander isolierte eigensichere Stromquellen aufweist.
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DE 10 2007 017 858
A1 offenbart eine Spannungsschutzanordnung für
ein elektronisches Gerät zur Steuerung in der Automatisierungstechnik.
Die Span nungsschutzanordnung hat eine Abschalteinheit und eine mit
dem Ausgang der Abschalteinheit verbundene Spannungserkennungseinheit,
wobei die Abschalteinheit einen Spannungskomparator und einen mit
dem Ausgang des Spannungskomparators verbundenen, zwischen dem Eingang
und dem Ausgang der Abschalteinheit angeordneten, im Normalfall
geschlossenen elektrischen Schalter aufweist.
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Die
Spannungserkennungseinheit hat einen Spannungskomparator und eine
mit dem Ausgang des Spannungskomparators verbundenen Schaltausgang
zur Meldung einer unzulässigen Spannung. Bei Anliegen einer
unzulässigen Spannung am Eingang der Abschalteinheit wird
der elektrische Schalter geöffnet und bei anschließendem
Anlegen einer zulässigen Spannung wieder geschlossen.
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Die
Spannungsschutzanordnung ist damit zweistufig mit einer Abschalteinheit
und einer davon getrennten Spannungserkennungseinheit aufgebaut, wobei
die Aufgabe der Abschalteinheit primär darin besteht, das
zu schützende elektronische Gerät bei Auftreten
einer unzulässigen Spannung abzuschalten, während
die Aufgabe der nachgeschalteten Spannungserkennungseinheit primär
darin besteht, beim Auftreten einer unzulässigen Spannung
dies mittels des Schalterausgangs anzuzeigen.
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Die
Spannungsanforderungen für Automatisierungsgeräte
sind beispielsweise in der europäischen Norm EN
60950-1:2006, Kapitel 2.2 definiert. Dabei sind die zulässigen
Scheitelwerte und Gleichspannungen bei bestimmungsgemäßen
Betrieb sowie unter vielerlei Bedingungen festgelegt. Es ist zulässig,
dass Spannungen innerhalb einer begrenzten Zeit einen ersten Spannungsgrenzwert überschreiten dürfen.
Eine Überschreitung eines zweiten Spannungsgrenzwertes,
der größer als der erste Spannungsgrenzwert ist,
wird hingegen als unzulässig angesehen und muss zu einer
sofortigen Abschaltung führen.
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Vor
allem beim Einschalten von Lasten können kurzzeitige Strom-
und/oder Spannungsspitzen auftreten, die an sich zulässig
sind. Ein Problem der herkömmlich bekannten Spannungsbegrenzer
oder Spannungsschutzordnungen besteht darin, dass die Versorgungsspannung
beispielsweise bei einem hohen Einschaltstrom sofort abgeschaltet
wird und somit ein Anlauf des Prozesses durch die Spannungsschutzanordnung
verhindert wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Schutzeinrichtung
für durch ein Netzteil mit Spannung versorgter Automatisierungsgeräte
vor Überspannung zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird mit der Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, dass die Spannungsbegrenzereinheit an den
Eingang des Netzteils ankoppelbar und eingerichtet ist, um bei einer
erkannten Überspannungsgrenzwert-Überschreitung
der Versorgungsspannung am Ausgang des Netzteils die Spannung am
Eingang des Netzteils zu begrenzen.
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Im
Unterschied zu den herkömmlich bekannten Lösungen
wird aufgrund einer am Ausgang des Netzteils erkannten Überlast
die Eingangsenergie des Netzteils begrenzt und nicht, wie üblich,
der Ausgang des Netzteils abgeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass
insbesondere im Einschaltfall das Verzögerungsverhalten
des Netzteils, d. h. das Sanftanlaufverhalten, ausgenutzt wird.
Ein ansonsten aufgrund der Schaltspitzen resultierendes sofortiges
Wiederabschalten der Spannungsversorgung wird damit verhindert.
Ein herkömmlicher Weise zur sofortigen Abschaltung führender
hoher Einschaltstrom eines Netzteils, insbesondere eines Schaltnetzteils,
führt dann zu einer Unterbrechung der dem Netzteil zugeführten
Leistung mit der Folge, dass die Spannung des Netzteils wieder unter
den zulässigen Grenzwert sinkt. Dann wird dem Netzteil
wieder Energie zugeführt. Am Ausgang des Netzteils bleibt
aufgrund der Trägheit des Netzteils insbesondere durch
Kapazitäten immer eine ausreichende Versorgungsspannung bestehen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Spannungsbegrenzereinheit einen in
mindestens einen Versorgungsspannungsleitungspfad am Eingang des Netzteils
geklemmten, durch die Spannungsüberwachungseinheit angesteuerten
Schalter hat. Alternativ kann an Stelle eines Ein-Ausschaltens auch
vorgesehen sein, die Versorgungsspannung/oder den Versorgungsstrom
kontinuierlich oder diskontinuierlich herabzuregeln, dabei jedoch
nicht ganz die Versorgungsenergie abzuschalten.
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Der
Schalter der Spannungsbegrenzereinheit kann ein Relais, ein Schütz
oder ein elektronischer Leistungsschalter sein. Mit dem Schalter
wird dann mindestens einer der potentialführenden Leitungen,
die in den Eingang des Netzteils führen, im Überspannungsfall
unterbrochen.
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Besonders
vorteilhaft ist es insbesondere für eigensichere Anwendungen,
wenn die Spannungsüberwachungseinheit und die daran angeschlossene Spannungsbegrenzereinheit
redundant aufgebaut sind. Es werden dann mindestens zwei Schalter
hintereinander in die potentialführende Leitung am Eingang
des Netzteils geschaltet, wobei die mindestens zwei Schalter der
Spannungsbegrenzereinheiten durch jeweils eine zugeordnete Spannungsüberwachungseinheit
angesteuert werden. Im Falle eines Ausfalls einer der Spannungsüberwachungseinheiten
kann die andere immer noch eine sichere Erkennung des Überspannungsfalls
sicherstellen. Zudem sorgen die redundanten Spannungsbegrenzereinheiten
dafür, dass auch das Abschalten im Falle eines Ausfalls
eines Schalters gewährleistet ist.
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In
einer Ausführungsform kann die an den Eingang des Netzteils
geschaltete Spannungsbegrenzereinheit zur Begrenzung des dem Netzteil
zugeführten Versorgungsstroms eingerichtet sein. Eine solche
stromgesteuerte Regelung der Ausgangsspannung eines Netzteils ist
insbesondere für stromgesteuerte Spannungsquellen geeignet.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat die Schutzeinrichtung
einen separaten Versorgungsspannungseingang zum Betrieb und zur Versorgung
der Spannungsüberwachungseinheit und Spannungsbegrenzereinheit
mit elektrischer Energie. Der separate Versorgungsspannungseingang ist
unabhängig von der mindestens einen durch die Spannungsbegrenzereinheit
geschalteten Versorgungsspannung des Netzteils, so dass sichergestellt ist,
dass die Schutzeinrichtung mit zum Betrieb der Spannungsbegrenzereinheit
und der Spannungsüberwachungseinheit erforderlichen Energie
versorgt wird.
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Die
Schutzeinrichtung kann beispielsweise ein Gehäuse mit einer
Arretiervorrichtung zum Aufstecken der Schutzeinrichtung auf eine
Hutschiene haben. Auf diese Weise ist es möglich, die Schutzeinrichtung
als separates Modul benachbart zu einem Netzteil und benachbart
zur Automatisierungsquelle auf eine Hutschiene anzureihen und durch
interne oder externe Verdrahtung mit den Versorgungsspannungseingängen
und Versorgungsspannungsausgängen des benachbarten Netzteils
zu verbinden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 – Blockdiagramm
einer Schutzeinrichtung mit daran angeschaltetem Netzteil und einer
einphasigen Versorgungsspannung;
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2 – Blockdiagramm
einer Schutzeinrichtung mit daran angeschaltetem Netzteil mit dreiphasiger
Versorgungsspannung.
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1 lässt
ein Blockdiagramm einer Schutzeinrichtung 1 erkennen, die
eine erste Spannungsüberwachungseinheit 2 hat,
die an den Ausgang eines Netzteils 3 geklemmt ist, um eine
unzulässige Überspannung zu erkennen. Das Netzteil 3 dient
dazu, um eine Last über mindestens ein an das Netzteil 3 angekoppeltes
Automatisierungsgerät 4 mit einer Versorgungsspannung
zu versorgen. In dem dargestellten Beispiel ist die Versorgungsspannung
eine Gleichspannung oder eine einphasige Wechselspannung.
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Typische
Versorgungsspannungen für Automatisierungsgeräte 4 sind
beispielsweise 24 Volt. An einem Schaltnetzteil können
jedoch kurzzeitige Überspannungen in einem Bereich von
70 bis 120 Volt auftreten. Gemäß der europäischen
Norm 60950-1:2006 darf bei einem SELV-Stromkreis die Spannung
zwischen zwei beliebigen Leitern des SELV-Stromkreises und zwischen
einem beliebigen Leiter und einem geerdeten Teil bei bestimmungsgemäßen
Betrieb eine Spannung von 42,4 Volt Scheitelwert oder 60 Volt Gleichspannung
nicht überschritten werden. Bei einem einzelnen Fehler,
wie beispielsweise bei einer kurzzeitigen Überspannung
eines Schaltnetzteils, darf die Spannung den Grenzwert von 42,4
Volt Scheitelwert oder 60 Volt Gleichspannung nicht länger
als 200 Millisekunden überschreiten. Der obere Grenzwert
von 71 Volt Scheitelwert oder 120 Volt Gleichspannung darf überhaupt nicht überschritten
werden.
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Bei
sich wiederholenden Überspannungen ist ein Überschreiten
des zulässigen unteren Grenzwertes von 42,4 Volt Scheitelwert
oder 60 Volt Gleichspannung für eine Zeit kleiner gleich
20 Millisekunden zulässig, wenn die Zeit zwischen zwei
solchen überschreitenden Spannungsperioden größer
als eine Sekunde ist. Wenn der untere Grenzwert länger als
20 Millisekunden überschritten wird, muss die Zeit zwischen
zwei solchen, den unteren Grenzwert überschreitenden Perioden
größer als 3 Sekunden sein.
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Die
Spannungsüberwachungseinheit 2 ist daher vorzugsweise
nicht nur zur einfachen Schwellwertkontrolle eines Grenzwertes eingerichtet,
sondern zur damit verbundenen Zeitanalyse unter Berücksichtigung
von unteren Grenzwerten, die innerhalb definierter Zeiten und in
definierten Zeitabständen überschritten werden
können sowie unter Berücksichtigung eines oberen
Grenzwertes, der keinesfalls überschritten werden darf.
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Wenn
ein Fehlerfall durch die Spannungsüberwachungseinheit 2 festgestellt
wurde, wird eine Spannungsbegrenzereinheit 5 der Schutzeinrichtung 1 angesteuert,
die einen Schalter 6 und eine Schalteinheit umfasst, der
die potentialführende Leitung am Eingang des Netzteils 3 unterbricht.
Dies hat zur Folge, dass das Netzteil 3 nicht mehr mit
elektrischer Energie versorgt wird und somit auch die Spannung am
Ausgang des Netzteils 3 abklingt. Aufgrund der üblichen
Kapazitäten vor den Ausgangsklemmen des Netzteils 3 bricht
die Ausgangsspannung des Netzteils 3 jedoch nicht abrupt
ab, sondern klingt allmählich ab. Dabei wird von der Spannungsüberwachungseinheit 2 bei
Unterschreiten der kritischen Grenze wieder ein Normalzustand erkannt,
der zur Ansteuerung der Spannungsbegrenzereinheit 5 führt.
Der zur Spannungsbegrenzereinheit 5 gehörende
Schalter 6 wird dann wieder geschlossen, so dass dem Netzteil 3 wieder
Energie zugeführt wird. Optional ist auch eine manuelle
Wiederinbetriebnahme nach Abschaltung denkbar.
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Durch
die Spannungsbegrenzung am Eingang des Netzteils 3 und
nicht am Ausgang des Netzteils 3 wird erreicht, dass die
an den Ausgang des Netzteils 3 angeschlossenen Automatisierungsgeräte 4 immer
noch weiter im Spannung versorgt werden und kein vollständiges
Abschalten erfolgt. Ein durch die Automatisierungsgeräte 4 gesteuerter
oder überwachter Prozess wird damit kaum beeinträchtigt. Dies
gelingt durch die Ausnutzung der Trägheit des Netzteils 3.
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Insbesondere
lässt sich auf diese Weise beim Einschalten einer an das
Netzteil 3 angeklemmten Last eine Sicherheitsabschaltung
aufgrund überhöhter Einschaltströme vermeiden.
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In
der dargestellten Ausführungsform der Schutzeinrichtung 1 ist
die Spannungsüberwachungseinheit 2, 2' mit
daran angekoppelter Spannungsbegrenzereinheit 5, 5' redundant
ausgeführt. Wie durch die gestrichelten Leitungen und Bauelemente
angedeutet ist, kann optional eine zweite Spannungsüberwachungseinheit 2' mit
einer zweiten Spannungsbegrenzereinheit 5' einschließlich
einer hierzu gehörigen Schalteinheit 7, 7' vorgesehen
sein.
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Die
Schalter 6, 6' der Spannungsbegrenzereinheit 5, 5' können
insbesondere als Relais, Schütz oder elektronischer Schalter,
insbesondere Thyristorschalter zur Unterbrechung der potentialführenden Zuleitung 8 in
das Netzteil 3 ausgeführt sein.
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Die
Versorgung der Schalteinheiten 7, 7' für die
Schalter 6, 6' der Spannungsbegrenzereinheit 5, 5' erfolgt über
das Spannungspotential am Eingang des Netzteils 3 vor den
Schaltern 6, 6'.
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2 lässt
eine andere Ausführungsform der Schutzeinrichtung 1 erkennen,
bei der das Netzteil 3 mit einer dreiphasigen Wechselspannung über die
potentialführenden Leitungen 8 versorgt wird. Das
Abschalten der zugeführten Energie im Fehlerfall erfolgt
durch die redundant ausgeführte Schütze 9, 9' oder elektronische
Schalter, die an den Eingang des Netzteils 3 geschaltet
sind. Diese Schütze 9, 9' werden über
eine separate Schaltleitung 10 mit Schaltenergie versorgt
und angesteuert. In die Schaltleitung 10 ist vor den jeweiligen
Schützen 9, 9' jeweils ein Schalter 6, 6' der
redundant aufgebauten Spannungsbegrenzereinheiten 5, 5' eingeschleift, um
die Steuerspannung für die Schütze 9, 9' im
Fehlerfall zu unterbrechen und die Schütze 9, 9' abzuschalten.
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Die
Ansteuerung der Schalter 6, 6', die beispielsweise
als Relais oder elektronische Schalter z. B. mit Transistoren oder
Thyristoren aufgebaut werden können, erfolgt mit einer
jeweiligen Schalteinheit 7, 7' in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal der daran angeschlossenen Spannungsüberwachungseinheit 2, 2'.
Von der Spannungsüberwachungseinheit 2, 2' wird
wiederum die Spannung am Ausgang des Netzteils 3 überwacht
und ggf. zeitabhängig ein Fehlerfall aufgrund von Überspannungen
ermittelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10034087
A1 [0006]
- - DE 4413383 A1 [0007]
- - DE 8812781 U1 [0008]
- - DE 102007017858 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN 60950-1:2006 [0012]
- - europäischen Norm 60950-1:2006 [0027]