DE102009025514A1

DE102009025514A1 - Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters

Info

Publication number: DE102009025514A1
Application number: DE102009025514A
Authority: DE
Inventors: Christian Strobl
Original assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Current assignee: Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-12-30
Also published as: WO2010145757A1

Abstract

Ein Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters (1) wird angegeben, das mit einfachen Mitteln, insbesondere geringem Speicherplatzbedarf und/oder geringer Rechenleistung realisierbar ist. Danach werden Abtastwerte (i_B, p) eines für die Auslösung des Schutzschalters (1) relevanten Eingangssignals (i) mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz (f_m) fortlaufend erfasst. In einer ersten Prüfstufe wird über eine Anzahl erfasster Abtastwerte (i_B, p) ein erster Summenwert (i_M1, p_M0) gebildet und ein Auslösesignal (A) erzeugt, wenn dieser erste Summenwert (i_M1, p_M0) ein vorgegebenes erstes Auslösekriterium erfüllt. In einer weiteren Prüfstufe wird über eine Anzahl von ermittelten ersten Summenwerten (i_M1, p_M0) ein zweiter Summenwert (i_M2, p_M1) gebildet, wobei das Auslösesignal (A) auch dann erzeugt wird, wenn dieser zweite Summenwert (i_M2, p_M1) ein vorgegebenes zweites Auslösekriterium erfüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden elektronischen Schutzschalter.
Ein Schutzschalter dient dazu, einen elektrischen Laststromkreis bei Eintritt einer Auslösebedingung selbsttätig zu öffnen, d. h. elektrisch zu unterbrechen. Bei der Auslösebedingung handelt es sich gewöhnlicherweise um einen Überstrom (Kurzschluss oder Überlast). Zusätzlich oder alternativ kann ein Schutzschalter aber auch dazu eingerichtet sein, bei einer anderen Auslösebedingung, insbesondere bei einer Unter- oder Überspannung, auszulösen.
Bei einem klassischen Schutzschalter wird das Vorliegen der Auslösebedingung üblicherweise durch ein thermisches und/oder magnetisches Wirkprinzip detektiert. Thermische Schutzschalter umfassen in der Regel ein Auslöseelement in Form eines vom Laststrom durchflossenen Bimetalls oder Dehndrahts, dessen thermisch bedingte Formänderung den Schutzschalter auslöst. Bei magnetischen Schutzschaltern erfolgt die Auslösung in der Regel durch unmittelbare Energetisierung einer Magnetspule durch den Laststrom selbst. Ein Überstromschutzschalter mit thermischen Auslöseprinzip ist beispielsweise aus EP 0 616 347 B1 bekannt. Ein weiterer Schutzschalter mit einer zusätzlichen Unterspannungsauslösung ist aus EP 0 802 552 B1 bekannt.
Schutzschalter mit einem thermischen Auslöseprinzip haben gegenüber Schutzschaltern mit anderem Auslöseprinzip insbesondere den Vorteil, dass sie auf Überströme unterschiedlicher Stärke mit einer vergleichsweise stark variierenden Auslöseverzögerung (Haltezeit) reagieren. So unterbricht ein thermischer Schutzschalter den zu überwachenden Laststromkreis im Kurzschlussfall aufgrund der dann sprunghaften Erwärmung des Auslöseelements quasi instantan. Im Falle einer nur geringen Überlast löst derselbe Schutzschalter dagegen aufgrund des sich in diesem Fall nur allmählich erwärmenden Auslöseelements erst nach einer vergleichsweise langen Haltezeit aus. Die Haltezeit t_H eines thermischen Schutzschalters variiert hierbei kontinuierlich in Abhängigkeit des im Überstromfall fließenden Stroms I, nämlich üblicherweise etwa gemäß der Beziehung I²·t_H = konstant. Infolge dieses lastabhängig differenzierten Haltezeitunterschieds reagiert ein thermischer Schutzschalter vorteilhafterweise tolerant gegenüber kurzzeitigen Überlastfällen, indem ein solcher Schutzschalter bei Überlastperioden, die aufgrund ihrer Stärke und Dauer für den zu schützenden Laststromkreis ungefährlich sind, nicht auslöst.
Im Gegensatz zu einem klassischen Schutzschalter der vorstehend genannten Art wird die Auslösebedingung bei einem elektronischen Schutzschalter durch eine elektronische Schaltung, insbesondere durch einen Mikrocontroller mit darin implementierter Steuersoftware, detektiert. Die Auslöseelektronik erzeugt bei Erkennung der Auslösebedingung ein Auslösesignal, das dann wiederum zur Betätigung eines z. B. magnetischen Auslösers führt. Elektronische Schutzschalter und Steuerverfahren zur Ansteuerung derselben sind z. B. aus EP 1 383 217 A1 und DE 40 00 627 A1 bekannt.
Die Auslöseelektronik eines herkömmlichen elektronischen Schutzschalters beruht häufig auf Kennwerttabellen, die das Auslöseverhalten eines thermischen Schutzschalters nachbilden. Eine solche Auslöseelektronik ist – bei hinreichend feinstufiger Lastabhängigkeit der Haltezeitkennlinie – in der Regel nur vergleichsweise aufwändig zu realisieren. Zum Beispiel hat die Steuerelektronik, wenn sie durch einen Mikrocontroller gebildet ist, häufig einen vergleichsweise hohen Bedarf an Rechenleistung und/oder Arbeitsspeicher. Die technischen Anforderungen an die Steuerelektronik, insbesondere den Speicherplatz- bzw. Rechenleistungsbedarf, steigen dabei in der Regel überproportional mit zunehmender Differenzierung (Abstufung) der Auslösekennlinie.
Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters anzugeben, das mit einfachen Mitteln, insbesondere geringem Speicherplatzbedarf und/oder geringer Rechenleistung realisierbar ist. Das Steuerverfahren soll dabei insbesondere auch flexibel an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der lastabhängigen Auslösecharakteristik anpassbar sein. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten elektronischen Schutzschalter anzugeben.
Bezüglich des Steuerverfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach werden Abtastwerte eines für die Auslösung des Schutzschalters relevanten Eingangssignals mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz fortlaufend erfasst. In einer ersten Prüfstufe wird über eine vorgegebene Anzahl erfasster Abtastwerte ein erster Summenwert gebildet, und ein Auslösesignal erzeugt, wenn dieser erste Summenwert ein vorgegebenes erstes Auslösekriterium erfüllt. In einer weiteren Prüfstufe wird über eine vorgegebene Anzahl von ermittelten ersten Summenwerten ein zweiter Summenwert gebildet, wobei das Auslösesignal auch dann erzeugt wird, wenn dieser zweite Summenwert ein vorgegebenes zweites Auslösekriterium erfüllt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist vorzugsweise zur Auslösung des Schutzschalters bei Überstrom (Kurzschluss oder Überlast) ausgebildet. In diesem Fall wird als auslöserelevantes Eingangssignal zweckmäßigerweise die Stromstärke des in dem zu überwachenden Laststromkreis fließenden Stroms herangezogen. Jedoch können auch andere Eingangssignale, insbesondere die im Laststromkreis anliegende Spannung, ein Temperaturmesssignal, etc. im Rahmen des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens als Eingangssignal herangezogen werden.
Anstelle von Abtastwerten, die direkt den (zeitabhängigen) Wert des Eingangssignals (also z. B. die Stromstärke im Laststromkreis) wiedergeben, können für die Ermittlung des ersten Summenwerts im Rahmen der Erfindung auch Abtastwerte herangezogen werden, die den Wert einer aus dem Eingangssignal abgeleiteten Größe wiedergeben. Abgeleitete Größen sind dabei insbesondere der Absolutbetrag des Eingangssignals, ein zu dem Eingangssignal oder dessen Absolutbetrag proportionaler Wert, das Quadrat oder ein sonstiges Polynom des Eingangssignals, etc.
Der „erste Summenwert” bezeichnet eine beliebige Größe, die auf einer ggf. skalierten Summe mehrerer Abtastwerte beruht, insbesondere die einfache Summe mehrerer Abtastwerte, einen aus mehreren Abtastwerten gebildeten Mittelwert oder eine hierzu proportionale oder quadrierte Größe, etc.
Ebenso bezeichnet der „zweite Summenwerte” eine beliebige Größe, die unmittelbar oder mittelbar auf einer ggf. skalierten Summe mehrerer erster Summenwerte beruht.
Bei dem ersten bzw. zweiten Auslösekriterium handelt es sich insbesondere um einen Schwellwertvergleich. Dabei wird das Auslösesignal insbesondere dann erzeugt, wenn der erste Summenwert oder der zweite Summenwert einen jeweils zugeordneten Schwellwert überschreitet.
Das vorstehend anhand von lediglich zwei Summenbildungen beschriebene Verfahrensprinzip kann im Rahmen der Erfindung auf eine beliebige Anzahl von kaskadenartig nachgeschalteten Prüfstufen und Summenbildungen ausgeweitet werden: Allgemein wird dabei in der n-ten Prüfstufe (n = 2, 3, 4, ...) aus einer Anzahl von Summenwerten der (n – 1)-ten Prüfstufe ein n-ter Summenwert gebildet, und das Auslösesignal auch dann erzeugt, wenn der n-te Summenwert ein vorgegebenes n-tes Auslösekriterium erfüllt.
Die Kernidee des vorstehend beschriebenen Steuerverfahrens besteht darin, eine mehrstufige Prüfung auf Basis einer kaskadenartigen Summenbildung über Abtastwerte des Eingangssignals oder der daraus abgeleiteten Größe vorzunehmen. Im Rahmen dieser Kaskadenstruktur nutzt die oder jede einer ersten Prüfstufe nachgeschaltete weitere Prüfstufe die in der jeweils vorgeschalteten Prüfstufe ermittelten Summenwerte zur Berechnung eines übergeordneten Summenwerts.
Die einer Prüfstufe zuzuordnende Haltezeit steigt proportional mit der Anzahl der Abtastwerte, die bei der in dieser Prüfstufe vorgenommenen Summenbildung berücksichtigt wurden. Da jede nachgeschaltete Prüfstufe mindestens zwei Sum menwerte der vorgeschalteten Prüfstufe berücksichtigt, wird die Haltezeit von jeder Prüfstufe zu der nächstfolgenden Prüfstufe mindestens verdoppelt. Innerhalb einer mehrstufigen Prüfkaskade steigt die Haltezeit somit (der Größenordnung nach) exponentiell an.
Aufgrund der kaskadenartigen Mittelwertbildung steigt der Speicherplatz, der zur Berechnung der Summenwerte erforderlich ist, aber (größenordnungsmäßig) nur linear mit der Anzahl der Prüfstufen. Die exponentielle Staffelung der Haltezeiten wird somit mit einem Aufwand an Rechenleistung und Speicherplatzbedarf erzielt, der lediglich proportional mit der Anzahl von Prüfstufen ansteigt. Das Steuerverfahren kann daher mittels einer vergleichsweise einfachen Steuerelektronik, insbesondere mittels eines vergleichsweise einfachen Mikrocontrollers, technisch realisiert werden.
Im Sinne einer optimierten Informationsausnutzung bei möglichst geringem Rechenaufwand werden vorzugsweise zwei zeitlich aufeinanderfolgende erste Summenwerte stets aus überlappfreien Abfolgen der Abtastwerte bestimmt. Jeder dieser Abtastwerte wird also stets nur einmal für die Bestimmung eines ersten Summenwerts verwendet, und danach verworfen. Zweckmäßigerweise werden aufeinanderfolgende erste Summenwerte zudem aus zwei Abfolgen von Abtastwerten berechnet, die unmittelbar aneinander angrenzen, so dass jeder erfasste Abtastwert bei der Ermittlung eines ersten Summenwerts genau einmal berücksichtigt wird.
Auf entsprechende Weise werden vorzugsweise zwei aufeinanderfolgende zweite (und ggf. n-te) Summenwerte aus überlappfreien Abfolgen der ersten (bzw. (n – 1)-ten) Summenwerte bestimmt.
Ferner erfolgt die Berechnung des ersten Summenwerts vorzugsweise stets aus einer zusammenhängenden Abfolge der aufeinanderfolgenden Abtastwerte. Der erste Summenwert wird mit anderen Worten aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastwerten berechnet. Ebenso wird vorzugsweise der zweite und ggf. n-te Summenwert aus einer Anzahl von zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten bzw. (n – 1)-ten Summenwerten gebildet.
In einer numerisch unaufwändigen Ausführung des Steuerprogramms werden die Abtastwerte zur Bildung des ersten Summenwertes in einen sogenannten First-In-First-Out-Speicher (auch: Schieberegister) eingelesen, dessen Speicherplatzanzahl der Anzahl der bei der Summenwertbildung zu berücksichtigenden Abtastwerte entspricht. Um auf besonders einfache Weise sicherzustellen, dass der erste Summenwert stets aus überlappfreien Abfolgen von Abtastwerten gebildet wird, wird dieser Speicher immer nur nach einer seiner Speicherplatzanzahl entsprechenden Anzahl von Messtakten ausgelesen. Bei zwei Speicherplätzen wird der Speicher also nach jedem zweiten Messtakt ausgelesen. Der jeweilige Speicher wird hierdurch mit anderen Worten immer erst dann ausgelesen, wenn er wieder vollständig mit neuen (d. h. in der vorausgegangenen Summenwertbildung noch nicht berücksichtigten) Abtastwerten aufgefüllt ist. Ein entsprechendes Verfahren wird vorzugsweise auch zur Ermittlung des zweiten und ggf. jedes weiteren Summenwertes angewendet.
In einer bevorzugten Variante ist das Steuerverfahren zur Auslösung des Schutzschalters im Kurzschlussfall ausgebildet. Bei dieser Verfahrensvariante wird der erste Summenwert zweckmäßigerweise aus Abtastwerten berechnet, die ein Maß für den Absolutbetrag der Stromstärke des Laststroms darstellen. In einer weiteren Verfahrensvariante ist das Steuerprogramm zur Auslösung des Schutzschalters im Überlastfall ausgebildet. Bei dieser Verfahrensvariante wird der erste Summenwert zweckmäßigerweise aus Abtastwerten berechnet, die ein Maß für die quadrierte Stromstärke des Laststroms darstellen. In bevorzugter Ausführung des Schutzschalters werden die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten parallel zueinander und gleichzeitig durchgeführt. Das Verfahren hat in dieser Ausführung somit einen Kurzschlussauslösestrang sowie einen Überlastauslösestrang.
Vorzugsweise, insbesondere für die Kurzschlussauslösung, weist das Steuerverfahren in zweckmäßiger Ausführung zusätzlich einen Sofort-Auslöseschritt auf, bei dem das Auslösesignal auch dann bereits erzeugt wird, wenn ein einzelner Abtastwert ein vorgegebenes Auslösekriterium erfüllt, insbesondere einen zugeordneten Schwellwert überschreitet.
In einer zweckmäßigen weiteren Ausführungsform ist das Verfahren derart gestaltet, dass es sowohl zur Überwachung eines Gleichstromkreises als auch zur Überwachung eines Wechselstromkreises einsetzbar ist. Die Abtastfrequenz ist hierzu derart gewählt, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz des zu überwachenden Wechselstroms ist. Bei einer üblichen Netzfrequenz von 50 Hz beträgt die Abtastfrequenz also ein ganzzahliges Vielfaches von 50 Hz. In zweckmäßiger Ausgestaltung beträgt die Abtastfrequenz mindestens das 3-fache der Netzfrequenz. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Abtastfrequenz zur Netzfrequenz aber im zweistelligen Bereich, insbesondere bei 20.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens, insbesondere für die Überlasterkennung, wird der erste Summenwert über eine oder mehrere Vollperioden des ggf. zu überwachenden Wechselstroms gebildet. Mit anderen Worten wird zur Berechnung des ersten Summenwertes diejenige Anzahl von erfassten Abtastwerten herangezogen, die einer oder mehreren Vollschwingungen des Wechselstroms entspricht, so dass die Anzahl der zur Ermittlung des ersten Summenwerts berücksichtigten Abtastwerte dem Verhältnis der Abtastfrequenz zur Netzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Verhältnisses entspricht. Als erster Summenwert wird dabei insbesondere der Effektivwert einer Wechselstromgröße, insbesondere die Effektivstromstärke oder Effektivspannung berechnet.
Bezüglich des Schutzschalters wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Danach umfasst der Schutzschalter ein isolierendes Gehäuse, eine Schaltkontakt zum reversiblen Kontaktschluss (d. h. Öffnen und Schließen) eines zu überwachenden Laststromkreises, einen Auslösemagnet, welcher über eine Auslösemechanik auf den Schaltkontakt wirkt, sowie eine Auslöseelektronik zur Ansteuerung des Auslösemagneten. Die Auslöseelektronik ist hierbei zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen Steuerverfahrens in einer seiner Varianten eingerichtet, d. h. schaltungs- und/oder programmtechnisch ausgebildet.
Die Auslöseelektronik liegt in bevorzugter Ausbildung des Schutzschalters in Form eines Mikrokontrollers vor, in dem das Steuerverfahren softwaretechnisch in Form eines Steuerprogramms implementiert ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung einen elektronischen Schutzschalter,
2 in einer Schnittdarstellung den Schutzschalter in einer AUS-Stellung,
3 in Darstellung gemäß 2 den Schutzschalter in einer EIN-Stellung in nicht ausgelöstem Zustand,
4 in Darstellung gemäß 2 den Schutzschalter in der EIN-Stellung, jedoch in ausgelöstem Zustand,
5 den Schutzschalter in einem Schnitt V-V gemäß 2,
6 in einem Blockschaltbild eine Ansteuerelektronik zur Ansteuerung des Schutzschalters,
7 und 8 in Strom-Zeit-Diagrammen jeweils den zeitlichen Ablauf eines in der Ansteuerelektronik gemäß 6 implementierten Steuerverfahrens zur Auslösung des Schutzschalters im Kurzschluss- bzw. Überlastfall, und
9 in einem Zeit-Strom-Diagramm zwei Kennlinien, die das Auslöseverhalten des Schutzschalters im Kurzschluss- oder Überlastfall charakterisieren.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen elektronischen Schutzschalter 1. Der Schutzschalter 1 ist hier als ein Überstromschutzschalter ausgeführt. Zusätz lich löst der Schutzschalter 1 bei Unterschreitung einer vorgegebenen Unterspannungsschwelle aus.
Der Schutzschalter 1 umfasst ein Gehäuse 2 aus isolierendem Kunststoff, welches wiederum eine Gehäusewanne 3 sowie einen Gehäusedeckel 4 umfasst. Das geschlossene Gehäuse 2 weist im Wesentlichen die Form eines Flachquaders auf, der an drei Schmalseiten geschlossen ist. An der vierten Schmalseite, welche im Folgenden als Frontseite 5 bezeichnet ist, ist im Montagezustand als Bedienelement eine kippbare Schaltwippe 6 zum Aktivieren bzw. Deaktivieren des Schutzschalters 1 eingesetzt. Eine zur Frontseite 5 entgegengesetzte Schmalseite des Gehäuses 2 ist im Folgenden als dessen Rückwand 7 bezeichnet. Die beiden angrenzenden (einander gegenüberliegenden) Schmalseiten des Gehäuses 2 bilden dessen Seitenwände 8 bzw. 9.
Die Gehäusewanne 3 ist im Wesentlichen durch einen Gehäuseboden 10, die Rückwand 7, sowie durch die Seitenwände 8, 9 gebildet, während der Gehäusedeckel 4 im Wesentlichen durch eine rechteckige Platte 11 gebildet ist, die randseitig mit in etwa rechtwinklig angeformten Rastösen 12 zum Verrasten mit korrespondierenden Rastnasen 13 der Seitenwände 8 bzw. 9 versehen ist. Weiterhin sind an die Platte 11 im Bereich ihres der Rückwand 7 zugewandten Randes rechtwinklig abstehende Zapfen 14 angeformt, die in komplementäre Schlitze 15 der Rückwand 7 etwa passgenau einsteckbar sind.
Der Schutzschalter 1 umfasst weiterhin eine Leiterplatte 20, welche im Montagezustand im Wesentlichen parallel zum Gehäusedeckel 4 in das Gehäuse 2 eingesetzt ist.
Auf der Leiterplatte 20 sind drei elektrische Kontaktschienen 21, 22 bzw. 23, sowie ein im Wesentlichen als Auslöseelement des Schutzschalters 1 dienender Elektromagnet 24 aufgelötet. Weiterhin ist auf der Leiterplatte 20 eine hier nicht weiter dargestellte Auslöseelektronik 25 zur Ansteuerung des Elektromagneten 24 angeordnet.
Die Kontaktschienen 21 und 23 dienen zum Kontaktschluss mit einem zu überwachenden Laststromkreis 26 (3, 6). Die Kontaktschiene 22 dient als Leiterplattenanschluss zur Spannungsversorgung der Auslöseelektronik 25 und des Elektromagneten 24.
Der Schutzschalter 1 umfasst weiterhin zum Betätigen und Auslösen eine Auslösemechanik 30. Die Auslösemechanik 30 wiederum umfasst zusätzlich zu der Schaltwippe 6 einen Schalthebel 31, einen Auslösehebel 32, sowie einen Stößel 33.
In 2 ist der Schutzschalter 1 in einer geschnittenen Seitenansicht in einem Montagezustand gezeigt. Zur Orientierung ist hier eine zu den Seitenwänden 8, 9 parallele Längsrichtung Y, sowie eine von der Seitenwand 8 auf die Seitenwand 9 gerichtete Querrichtung X angedeutet.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Kontaktschienen 21, 22 bzw. 23 in ihrer Hauptflächenausdehnung jeweils etwa parallel zu den Seitenwänden 8 bzw. 9 und somit etwa rechtwinklig zur Flächenausdehnung der Leiterplatte 20 ausgerichtet sind. Die Kontaktschienen 21 und 23 sind hierbei jeweils in unmittelbarer Nähe einer der Seitenwände 8 bzw. 9 angeordnet, während die Kontaktschiene 22 in etwa mittig zwischen den beiden anderen Kontaktschienen 21, 23 angeordnet ist. Jede der Kontaktschienen 21, 22, 23 ist zu Anschlusszwecken mit einem Freiende 34, 35, 36 jeweils durch einen entsprechenden Schlitz 37 in der Rückwand 7 nach außen geführt. Jeder Schlitz 37 wird auf der dem Gehäusedeckel 4 zugewandten Seite im Montagezustand im Übrigen durch einen der Zapfen 14 abgeschlossen.
An die Kontaktschiene 21 ist im Bereich ihres von dem Freiende 34 abgewandten Festendes 40 eine in etwa rechtwinklig abstehende blattfederartige Kontaktfeder 41 angebracht, die wiederum freiendseitig eine Kontaktfläche 42 aufweist.
An der Kontaktschiene 23 ist am entsprechenden Festende 44 eine ebenfalls in etwa rechtwinklig abstehende, mit der Kontaktfläche 42 korrespondierende Kon taktfläche 45 angeformt. Die aus der Kontaktfeder 41, der Kontaktfläche 42 und der Kontaktfläche 45 gebildete Baugruppe ist nachfolgend als Schaltkontakt 46 bezeichnet.
Die Kontaktfeder 41 erstreckt sich etwa in Querrichtung X über die Gehäusebreite, so dass die Kontaktflächen 42 und 45 zum reversiblen Schließen des Laststromkreises 26 in Kontakt gebracht werden können.
Zwischen den beiden Kontaktschienen 21 und 23 ist der Elektromagnet 24 angeordnet, wobei dieser mit der Längsachse 50 seines Spulenkörpers 51, d. h. in Längsausdehnung seines Magnetkerns 52, etwa entlang der Querrichtung X ausgerichtet ist. Er ist mittels Lötkontakten 53 auf der Leiterplatte 20 aufgelötet. An seiner der Seitenfläche 9 zugewandten Seite ragt der Magnetkern 52 aus dem Spulenkörper 51 heraus.
In Längsrichtung Y gesehen zwischen dem Elektromagneten 24 und der Kontaktfeder 41 ist der Auslösehebel 32 angeordnet. Der Auslösehebel 32 weist eine etwa rechtwinklige Form mit einem Langschenkel 55 (etwa in Querrichtung X) und einem Kurzschenkel 56 (etwa in Längsrichtung Y) auf. Der Stoßpunkt der beiden Schenkel 55, 56 ist im Folgenden als Knie 57 bezeichnet. Im Bereich des Knies 57 ist der Auslösehebel 32 auf einem Zapfen 59 (gestrichelt dargestellt) des Gehäuses 2 schwenkbar gelagert.
An dem Langschenkel 55 ist an seinem von dem Knie 57 abgewandten Ende der Stößel 33 über ein Filmscharnier 60 schwenkbar angebracht. Der Stößel 33 erstreckt sich, von dem Langschenkel 55 ausgehend in Längsrichtung Y bis zur Schaltwippe 6.
Der Schalthebel 31 ist in Längsrichtung Y gesehen oberhalb der Kontaktfeder 41 angeordnet. Er ist durch ein im Wesentlichen etwa dreieckiges, starres Teil gebildet, welches mit einem Zapfen 61 in einer Langlochführung 62 des Gehäuses 2 geführt ist.
Die Schaltwippe 6 umfasst einen schalenförmigen Körper 63, sowie einen in das Gehäuse 2 hineinragenden Schaft 64. Mittels einer Durchführung 65 im Schaft 64 ist die Schaltwippe 6 schwenkbar auf einem Zapfen 66 des Gehäuses 2 gelagert.
Die Schaltwippe 6 ist mit dem Schalthebel 31 über einen am Freiende des Schaftes 64 angeordneten Zapfen 67 gekoppelt, der in eine etwa hockeyschlägerförmige Führung 69 (3) des Schalthebels 31 eingreift. Die Führung 69 ist wahlweise als Nut oder Langloch ausgebildet. Zudem korrespondiert die Schaltwippe 6 über den Stößel 33 mit dem Auslösehebel 32.
Der Schalthebel 31 wiederum wirkt zum Einen mittels einer Haltenase 70 mit einer Halteschulter 71 am Kurzschenkel 56 des Auslösehebels 32 zusammen. Zum Anderen wirkt der Schalthebel 31 über eine Wirkfläche 72 auf die Kontaktfeder 41.
Der Auslösehebel 32 korrespondiert über ein Magnetjoch 73, welches mittels zweier Rastwinkel 74 an diesem aufgeschnappt und mittels einer zwischen Magnetjoch 73 und Auslösehebel 32 eingespannten Druckfeder 75 abgefedert ist, mit dem Magnetkern 52 des Elektromagneten 24.
2 zeigt den Schutzschalter 1 in einer AUS-Stellung seiner Schaltwippe 6. In der AUS-Stellung wird die Schaltwippe 6 durch die Federkraft einer Schenkelfeder 81 in der in 2 dargestellten Kippposition vorgespannt.
In der AUS-Stellung ist der Schalthebel 31 freigegeben, d. h. er beaufschlagt weder die Kontaktfeder 41 noch den Auslösehebel 32. Die Kontaktfeder 41 befindet sich in einer Ruhelage, in der der Kontakt zwischen den Kontaktflächen 42 und 45 unterbrochen ist.
In der AUS-Stellung drückt die Schaltwippe 6 den Stößel 33 weiterhin durch Beaufschlagung des freien Stößelendes 87 in Längsrichtung Y nach unten, wodurch das Magnetjoch 73 mit dem Magnetkern 52 in Kontakt gebracht wird.
Wird der Elektromagnet 24 über die Auslöseelektronik 25 bestromt, so werden das Magnetjoch 73 und der Auslösehebel 32 durch Magnetschluss mit dem Elektromagneten 24 in der in 2 dargestellten Position gehalten. Wird die Schaltwippe 6 nun in eine in 3 dargestellte EIN-Stellung verkippt, so schlägt der Schalthebel 31 zunächst mit der Haltenase 70 an der Halteschulter 71 des Auslösehebels 32 an. Infolge der Zwei-Punkt-Lagerung an der Halteschulter 71 und dem in der Führung 69 einliegenden Zapfen 67 wird der Schalthebel 31 unter weiterer Verkippung der Schaltwippe 6 (gemäß 3 im Uhrzeigersinn) verschwenkt. Er schlägt hierdurch mit der Wirkfläche 72 an der Kontaktfeder 41 an und drückt diese bis zum Kontaktschluss der Kontaktflächen 42 und 45 in Längsrichtung Y nach unten. Der Laststromkreis 26 ist in diesem Zustand über die Kontaktschienen 21 und 23 sowie über die Kontaktfeder 41 geschlossen.
Im Auslösefall wird der Elektromagnet 24 durch die Auslöseelektronik 25 deaktiviert, d. h. stromlos geschaltet, und somit das Magnetjoch 73 freigegeben. Der Auslösehebel 32 wird infolge dessen unter Wirkung einer Schenkelfeder 92 im Gegenuhrzeigersinn um das Knie 57 in die in 4 dargestellte Lage verschwenkt.
Hierdurch entkoppelt die Haltenase 70 des Schalthebels 31 von der Halteschulter 71 des Auslösehebels 32. Infolge der fehlenden Gegenkopplung wird der Schalthebel 31 im Gegenuhrzeigersinn in die in 4 dargestellte Lage verschwenkt, in der er die Kontaktfeder 41 wieder freigibt, so dass die Kontaktflächen 42 und 45 getrennt werden. Dieser Auslösemechanismus erfolgt insbesondere auch dann, wenn die Schaltwippe 6, in der EIN-Stellung gemäß 4 blockiert ist (Freiauslösung).
Wird die Schaltwippe 6 nicht in der EIN-Stellung blockiert, so kippt sie unter Wirkung der Schenkelfeder 81 in die AUS-Stellung gemäß 2 zurück.
In 5 ist der Schutzschalter 1 in einem abgewinkelten Querschnitt V-V gemäß 2 gezeigt. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die Leiterplatte 20 mit einem ersten Rand 96 in etwa an der Rückwand 7 anliegt und mit einem dazu entgegengesetzten Rand 97 in die Schaltwippe 6 hineinragt. Aus 5 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Bewegteile der Auslösemechanik 30, nämlich die Schaltwippe 6, der Schalthebel 31 und der Auslösehebel 32 mit dem Stößel 33 einschließlich der zugehörigen Federn 81 und 92 allesamt auf der vom Gehäusedeckel 4 abgewandten Seite der Leiterplatte 20 angeordnet sind.
Die Leiterplatte 20 wird außerhalb des Gehäuses 2 mit den Kontaktschienen 21, 22, 23 der Kontaktfeder 41 und dem Elektromagneten 24 zu einer fest zusammenhängenden Vormontagebaugruppe zusammengesetzt. Diese Vormontagebaugruppe, die alle strom- oder spannungsführenden Teile des Schutzschalters 1 umfasst, wird als Ganzes in die Gehäusewanne 3 mit der darin einliegenden Auslösemechanik 30 eingelegt. Anschließend muss nur noch der Gehäusedeckel 4 auf die Gehäusewanne 3 aufgeklipst werden, um die – somit insgesamt sehr unaufwändige – Montage abzuschließen.
Die Auslöseelektronik 25 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet. In dem Mikrocontroller ist ein in 6 näher dargestelltes Steuerprogramm 100 softwaretechnisch implementiert, das ein im Folgenden näher beschriebenes Verfahren zur Auslösung des Schutzschalters 1 im Kurzschluss- oder Überlastfall automatisiert durchführt.
Das Steuerprogramm 100 umfasst zwei parallele Funktionsstränge, nämlich einen (Kurzschlussauslöse-)Strang 101 und einen (Überlastauslöse-)Strang 102, die von einem gemeinsamen Strang 103 abzweigen.
Im gemeinsamen Strang 103 wird zunächst mittels eines Stromsensors 104 als Eingangssignal die (Last-)Stromstärke i im Laststromkreis 26 bestimmt. Der (z. B. durch einen Shunt oder einen Stromwandler gebildete) Stromsensor 104 gibt als Ausgangssignal ein analoges Strommesssignal i_A in Form einer stromstärkeproportionalen Spannung an einen nachgeschalteten Analog-Digital-(AD)-Wandler 106 aus. In dem AD-Wandler 106, der vorzugsweise ein integraler Bestandteil des Mikrocontrollers ist, wird das analoge Strommesssignal i_A im Takt einer (Mess- )Taktfrequenz f_m mit einer Auflösung von nm Bit (hier nm = 8) in ein digitales Strommesssignal i_D umgewandelt.
Das Strommesssignal i_D wird derart erzeugt, dass

– i_D = 0 einer gemessenen Stromstärke i = –C·I_N,
– i_D = 2^nm-1 einer gemessenen Stromstärke i = 0, und
– i_D = 2^nm einer gemessenen Stromstärke i = +C·I_N

_N

1

Der Schutzschalter 1 ist vorrangig zur Überwachung eines Wechselstrom-Lastkreises vorgesehen. Die Messtaktfrequenz f_m ist daher auf ein Vielfaches, insbesondere auf das 20-fache der üblichen Netzfrequenz f_N (bei einer Netzfrequenz von f_N = 50 Hz also auf f_m = 1 kHz) gesetzt. Der Schutzschalter 1 kann ungeachtet dessen aber zur Überwachung eines Gleichstrom-Lastkreises eingesetzt werden, ohne dass hierfür das Steuerprogramm 100 geändert werden müsste.
Von einem dem AD-Wandler 106 softwaretechnisch nachgeschalteten Betragsmodul 107 wird nach der Gleichung iB = |iD – 2nm-1|ein digitales (Strom-)Betragssignal i_B erzeugt, das im Wesentlichen dem Absolutbetrag der Laststromstärke i entspricht. Das Betragssignal i_B fließt als Eingangsgröße in die Teilstränge 101 und 102 des Steuerprogramms 100 ein.
In einer nullten Prüfstufe des Kurzschlussauslösestrangs 101 wird in einem Vergleichsmodul 110₀ mit der Taktfrequenz f_m der in jedem Messtakt ermittelte Abtastwert des Betragssignals i_B mit einem diskreten Kennlinienpunkt k₀ einer hinterlegten (Kurzschlussauslöse-)Kennlinie K (9) verglichen. Das Vergleichsmodul 110₀ bleibt inaktiv, solange der Abtastwert des Betragssignals i_B den Kennlinienpunkt k₀ nicht überschreitet (i_B ≤ k₀). Ansonsten (i_B > k₀) gibt das Vergleichsmodul 110₀ ein Auslösesignal A aus, aufgrund dessen die Bestromung des Elektromagneten 24 unterbrochen, und der Schutzschalter 1 somit ausgelöst wird.
Das Strommesssignal i_D, bzw. das Betragssignal i_B enthält somit digitale Abtastwerte der Stromstärke i zu diskreten, jeweils mit zeitlichem Abstand von f_m ^–1 aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten.
Der Kennlinienpunkt k₀ gibt die sogenannte Sofort-Auslöseschwelle wieder. Der Wert des Kennlinienpunkts k₀ ist ein Maß für die im Mittel über eine Haltezeit t_H (9) maximal zulässige Überstromstärke. Die Haltezeit t_H entspricht hierbei der einfachen inversen Taktfrequenz f_m bzw. der einfachen (Mess-)Taktzeit t_m (7) (t_H = t_m = f_m ^–1; hier t_H = 0,001 s). Ein einzelner Messwert des Betragssignals i_B, der den Kennlinienpunkt k₀ überschreitet, reicht also aus, um den Schutzschalter 1 auszulösen.
In einer – nachgeschalteten – ersten Prüfstufe des Kurzschlussauslösestrangs 101 wird mit der Taktfrequenz f_m, d. h. in jedem Messtakt, der jeweils ermittelte Abtastwert des Strombetrags i_B in einen ersten (First-In-First-Out-)Speicher 113₁ mit einer Anzahl von (hier beispielhaft: zwei) Speicherplätzen geschrieben.
Stets nach einer der Speicherplatzanzahl entsprechenden Anzahl von Messtakten – angedeutet durch die Uhrsymbole 115 – bildet ein Summenmodul 120₁ einen gerundeten Mittelwert i_M1 aus den im Speicher 113₁ gespeicherten Abtastwerten des Betragssignals i_B. Bei zwei Speicherplätzen wird der Mittelwert i_M1 somit mit der halben Taktfrequenz f_m/2 = 500 Hz gebildet. Ein in dem Speicher 113₁ abgelegter Abtastwert des Betragssignals i_B wird hierdurch stets nur einmal in der Mittelwertbildung berücksichtigt. Anschaulich gesprochen wird der Speicher 113₁ immer nur dann ausgewertet, wenn er vollständig mit neuen Abtastwerten des Betragssignals i_B aufgefüllt ist.
Der Mittelwert i_M1 wird als Prüfgröße einem nachfolgenden Vergleichsmodul 110₁ zugeführt. Das Vergleichsmodul 110₁ vergleicht diesen Mittelwert i_M1 wiederum mit einem zugeordneten Kennlinienpunkt k₁ der Kennlinie K und gibt – analog zu dem Vergleichsmodul 110₀ – das Auslösesignal A aus, wenn der Mittelwert i_M1 den Kennlinienpunkt k₁ wertemäßig überschreitet (i_M1 > k₁). Der Kennlinienpunkt k₁ ist ein Maß für die im Mittel maximal zulässige Überstromstärke über eine Haltezeit t_H, die der doppelten Taktzeit t_m entspricht (t_H = 2·t_m = 2·f_m ^–1; hier t_H = 0,002 s).
Der Mittelwert i_M1 der ersten Prüfstufe wird als Eingangsgröße einer zweiten Prüfstufe zugeführt, die analog zur ersten Prüfstufe einen weiteren (First-In-First-Out-)Speicher 113₂ , ein weiteres Summenmodul 120₂ und ein weiteres Vergleichsmodul 110₂ aufweist. Auch hinsichtlich ihrer Funktion gleicht die zweite Prüfstufe der ersten Prüfstufe, mit dem Unterschied, dass dem Speicher 113₂ anstelle des Betragssignals i_B der Mittelwert i_M1 der ersten Prüfstufe zugeführt wird, und dass ein von dem Summenmodul 120₂ erzeugter Mittelwert i_M2 mit der durch vier geteilten Taktfrequenz f_m/4 = 250 Hz erzeugt wird. Ein dem Vergleichsmodul 110₂ als Auslösekriterium zugeordneter Kennlinienpunkt k₂ ist somit ein Maß für die maximale Überstromstärke im Mittel über eine Haltezeit t_H, die der vierfachen Taktzeit t_m entspricht (t_H = 4·t_m = 4·f_m ^–1; hier t_H = 0,004 s).
Der zweiten Prüfstufe sind kaskadenartig eine oder mehrere weitere Prüfstufen n-ter Ordnung (n = 3, 4, ...) nachgeschaltet, die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion wiederum der zweiten Prüfstufe entsprechen, und jeweils durch einen (First-In-First-Out-)Speicher 113_n , ein weiteres Summenmodul 120_n und ein weiteres Vergleichsmodul 110_n gebildet sind. Der Speicher 113_n erhält hierbei jeweils als Eingangssignal den Mittelwert i_M(n-1) der direkt übergeordneten Prüfstufe (n – 1)-ter Ordnung. Von dem Summenmodul 120_n der n-ten Prüfstufe wird stets mit der durch 2ⁿ geteilten Taktfrequenz f_m/2ⁿ ein Mittelwert i_Mn erzeugt, der in dem Vergleichsmodul 110_n mit einem Kennlinienpunkt k_n verglichen wird. Der Kennlinienpunkt k_n ist ein Maß für die maximale Überstromstärke im Mittel über eine Haltezeit t_H, die der 2ⁿ-fachen Taktzeit t_m entspricht (tH = 2n·tm = 2n·fm –1).
Das Prinzip dieser kaskadenartigen Mittelwertbildung ist in 7 noch einmal verdeutlicht, in der der Verlauf des Betragssignals i_B und der Mittelwerte i_M1 und i_M2 gegen die Zeit t in übereinander angeordneten, synchronen Diagrammen gegenübergestellt ist. Dieser Darstellung ist direkt zu entnehmen, dass infolge der kaskadenartigen Mittelwertbildung die hierarchisch aufeinander folgenden Prüfstufen Veränderungen des Laststroms auf jeweiligen Zeitskalen prüfen, die exponentiell mit der Stufenordnung anwachsen. Ein Maß für die den Prüfstufen jeweils zugeordnete Zeitskala ist hierbei die Haltezeit t_H der jeweiligen Prüfstufe: n-te Prüfstufe (n = 0, 1, 2, ...): tH = 2n·tm = 2n·fm –1
Im Überlastauslösung-Teilstrang 102 wird gemäß 6 zunächst in einem Quadriermodul 130 aus dem Betragssignal i_B als Maß für die Leistung des Laststroms ein Quadratsignal p mit p = i_B·i_B berechnet.
Dieses Quadratsignal p wird mit der Taktfrequenz f_m in einen (First-In-First-Out-)Speicher 131 einer nullten Prüfstufe des Teilstrangs 102 eingelesen. Der Speicher 131 hat – wiederum für den Einsatz des Schutzschalters 1 zur Sicherung eines Wechselstrom-Lastkreises – eine Anzahl q von Speicherplätzen, die dem Verhältnis der Taktfrequenz f_m zu der üblichen Netzfrequenz f_N oder einem Vielfachen hiervon entspricht: q = j·fm/fN mit j = 1, 2, 3, ...
Bei einer Netzfrequenz von f_N = 50 Hz und einer Taktfrequenz von f_m = 1 kHz hat der Speicher 131 insbesondere q = 20 Speicherplätze.
Ein dem Speicher 131 nachgeschaltetes Summenmodul 132 berechnet stets nach einer der Anzahl q entsprechenden Anzahl von Messtakten – angedeutet durch die Uhrsymbole 133 – einen gerundeten Mittelwert p_M0 aus den im Speicher 131 gespeicherten Werten des Quadratsignals p. Der Mittelwert p_M0 stellt hierbei ein Maß für die Effektivleistung des Laststroms dar. Bei zwanzig Speicherplätzen des Speichers 131 wird der Mittelwert p_M0 mit einer der Netzfrequenz f_N entsprechenden Taktfrequenz f_e = f_N = 1/20·f_m gebildet. Ein in dem Speicher 131 abgelegter Wert des Quadratsignals p wird hierdurch wiederum stets nur einmal in der Mittelwertbildung berücksichtigt.
Der Mittelwert p_M0 wird in einem nachgeschalteten Vergleichsmodul 136₀ mit einem Kennlinienpunkt u₀ einer hinterlegten (Überlastauslöse-)Kennlinie U (9) verglichen, wobei das Vergleichsmodul 136₀ das Auslösesignal A erzeugt, wenn der Mittelwert p_M0 das Quadrat des Kennlinienpunkts u₀ wertemäßig überschreitet (p_M0 > u₀ ²). Das Quadrat u₀ ² des Kennlinienpunkts u₀ stellt somit ein Maß für die maximal zulässige Effektivleistung des Laststroms dar.
Analog zum Teilstrang 101 sind auch im Teilstrang 102 hierarchisch nachgeschaltete Prüfstufen vorgesehen, die hinsichtlich Aufbau und Funktion den entsprechenden Prüfstufen des Teilstrangs 101 entsprechen. Jede dieser Prüfstufen umfasst

– einen (First-In-First-Out-)Speicher 138_n mit zwei Speicherplätzen, dem der Mittelwert p_M(n-1) der jeweils übergeordneten Prüfstufe als Eingangsgröße zugeführt wird, – ein Summenmodul 140_n , das mit 1/2ⁿ-facher Taktfrequenz 1/2ⁿ·f_e einen Mittelwert p_Mn der in dem Speicher 138_n enthalten Werte berechnet, und – ein Vergleichsmodul 136_n , das diesen Mittelwert p_Mn mit dem Quadrat u_n ² eines zugeordneten Kennlinienpunkts u_n vergleicht und im Fall p_Mn > u_n ² das Auslösesignal A erzeugt.

Die Zählvariable n = 1, 2, 3, ... bezeichnet hierbei wiederum die hierarchische Ordnung der jeweiligen Prüfstufe.
In beispielhafter Ausführung des Steuerprogramms 1 hat der Teilstrang 101 fünf Prüfstufen (n = 0, 1, ..., 4), während der Teilstrang 102 dreizehn Prüfstufen (n = 0, 1, ..., 12) aufweist.
In 8 ist analog zu 7 der zeitliche Verlauf des Quadratsignals p und der Mittelwerte p_M0 und p_M1 in Gegenüberstellung dargestellt. Aus dieser Darstellung ist entnehmbar, dass die Prüfstufen des zweiten Teilstrangs 102 Veränderungen der Leistung des Laststroms – mit Ausnahme der nullten Prüfstufe – wiederum auf exponentiell mit der Stufenordnung anwachsenden Zeitskalen prüfen: n-te Prüfstufe (n = 1, 2, ...): tH = 2n·fe –1
Bei den Modulen 107, 110_n (n = 0, 1, 2, ...), 120_n (n = 1, 2, ...), 130, 132, 136_n (n = 0, 1, 2, ...), und 140_n (n = 1, 2, ...) handelt es sich um Software-Bausteine des Steuerprogramms 100. Bei den (First-In-First-Out-)Speichern 113_n (n = 1, 2, ...), 131 und 138_n (n = 1, 2, ...) handelt es sich vorzugsweise um softwaretechnisch allozierte (d. h. reservierte) Bereich eines gemeinsamen Arbeitsspeichers des das Steuerprogramm 100 ausführenden Mikrocontrollers.
Die Kennlinien K und U sind in 9 in einem doppeltlogarithmischen-Diagramm gegen die Haltezeit t_H (hier aufgetragen auf der Ordinaten) dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Stromstärke i prozentual zur Nennstromstärke IN des Schutzschalters 1 aufgetragen.
Entsprechend der jeweiligen Anzahl von Prüfstufen umfasst die Kennlinie K vier Kennlinienpunkte k₀, k₁, ..., k₄, während die Kennlinie U aus dreizehn Kennlinienpunkten u₀, u₁, ..., u₁₂ gebildet ist. Aus 9 wird deutlich, dass die Kennlinien K und U ein Haltezeitintervall von 10^–3s ≤ t_H ≤ 10²s überlappfrei abdecken. Die Kennlinie K bestimmt hierbei das Auslöseverhalten des Schutzschalters 1 auf Zeitskalen unterhalb der inversen Netzfrequenz (t_H < f_N ^–1 = 20 ms), während die Kennlinie U das Auslöseverhalten des Schutzschalters 1 auf Zeitskalen oberhalb der inversen Netzfrequenz (t_H ≥ f_N ^–1 = 20 ms) bestimmt.
Die Stromwerte (Auslösewerte) der Kennlinienpunkte k_n und u_n können – abweichend von dem in 9 gezeigten Beispiel – frei gewählt werden. Zweckmäßigerweise werden die Kennlinienpunkte k_n und u_n aber derart gewählt, dass die Kennlinien K und U jeweils streng monoton fallen, so dass die Haltezeit t_H stets umso kürzer ist, je höher der Stromwert des jeweiligen Kennlinienpunktes k_n bzw. u_n ist.
Auch die Anzahl der Kennlinienpunkte k_n und u_n kann grundsätzlich für jede der Kennlinien K und U frei gewählt werden. Die Anzahl der Prüfstufen der Teilzweige 101 und 102 ist hierbei stets an die Anzahl der Kennlinienpunkte k_n und u_n der jeweils zugeordneten Kennlinie K bzw. U anzupassen, wobei jeder Kennlinienpunkt k_n oder u_n hinsichtlich der ihm zugeordneten Haltezeit t_H einer Prüfstufe des Teilstrangs 101 bzw. 102 entspricht. Alternativ ist aber auch denkbar,

– innerhalb eines Teilstrangs 101 oder 102 mehr Prüfstufen vorzusehen als die zugehörige Kennlinie Kennlinienpunkte k_n oder u_n hat und/oder
– die Kennlinienpunkte k_n und/oder u_n zumindest zum Teil derart zu wählen, dass die diesen Kennlinienpunkten k_n bzw. u_n zugeordnete Haltezeit t_H nicht mit der einer Prüfstufe zugeordneten Haltezeit t_H übereinstimmt.

In diesen Fällen werden den Prüfstufen anstelle der Kennlinienpunkte k_n bzw. u_n Schwellwerte zugeführt, die durch Interpolation oder Extrapolation nach Maßgabe der den Prüfstufen zugeordneten Haltezeiten t_H aus den Kennlinienpunkten k_n bzw. u_n abgeleitet werden.
Auch die exponentielle Zunahme der Haltezeit t_H mit steigender Stufenordnung n kann – in alternativer Ausführung der Erfindung – variiert werden, indem die innerhalb desselben Teilstrangs 101 oder 102 aufeinanderfolgenden Speicher 113_n (n = 1, 2, ...) bzw. 138_n (n = 1, 2, ...) mit variierender Anzahl von Speicherplätzen definiert werden.
Der Schutzschalter 1 hat baubedingt eine passive Unterspannungsauslösefunktion, zumal die Auslösemechanik 30 zwangsweise dann auslöst, wenn die zwischen den Kontaktschienen 21 und 22 anliegende Spannung nicht mehr ausreicht, um den Elektromagneten 24 und/oder die Auslöseelektronik 25 hinreichend mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Funktion kann insbesondere genutzt werden, um den Schutzschalter 1 ferngesteuert mittels eines der Kontaktschiene 22 nachgeschalteten Schalters auszulösen.
Der Schutzschalter 1 hat darüber hinaus optional eine aktive Überspannungsauslösefunktion, die insbesondere softwaretechnisch in einem (nicht dargestellten) Unterspannungsauslöseblock des Steuerprogramms 100 implementiert ist. Im Rahmen dieser aktiven Unterspannungsauslösung erfasst das Steuerprogramm 100 fortlaufend und parallel zu dem Ablauf des in 6 dargestellten Programm teils den Betrag (im Wechselspannungsfall den Effektivbetrag) der zwischen den Kontaktschienen 21 und 22 anliegenden elektrischen Spannung und vergleicht den erfassten Spannungsbetrag mit einem hinterlegten Schwellwert. Das Steuerprogramm 100 erzeugt hierbei das Auslösesignal A, wenn der erfasste Spannungsbetrag den Schwellwert unterschreitet.

1: Schutzschalter
2: Gehäuse
3: Gehäusewanne
4: Gehäusedeckel
5: Frontseite
6: Schaltwippe
7: Rückwand
8, 9: Seitenwand
10: Gehäuseboden
11: Platte
12: Rastöse
13: Rastnase
14: Zapfen
15: Schlitz
20: Leiterplatte
21, 22, 23: Kontaktschiene
24: Elektromagnet
25: Auslöseelektronik
26: Laststromkreis
30: Auslösemechanik
31: Schalthebel
32: Auslösehebel
33: Stößel
34, 35, 36: Freiende
37: Schlitz
40: Festende
41: Kontaktfeder
42: Kontaktfläche
44: Festende
45: Kontaktfläche
46: Schaltkontakt
50: Längsachse
51: Spulenkörper
52: Magnetkern
53: Lötkontakt
55: Langschenkel
56: Kurzschenkel
57: Knie
59: Zapfen
60: Filmscharnier
61: Zapfen
62: Langlochführung
63: Körper
64: Schaft
65: Durchführung
66: Zapfen
67: Zapfen
69: Führung
70: Haltenase
71: Halteschulter
72: Wirkfläche
73: Magnetjoch
74: Rastwinkel
75: Druckfeder
81: Schenkelfeder
87: Stößelende
92: Schenkelfeder
96: Rand
97: Rand
100: Steuerprogramm
101: Strang
102: Strang
103: Strang
104: Stromsensor
106: AD-Wandler
107: Betragsmodul
110_n: Vergleichsmodul (n = 0, 1, 2, ...)
113_n: Speicher (n = 1, 2, ...)
115: Uhrsymbol
120_n: Summenmodul (n = 1, 2, ...)
130: Quadriermodul
131: Speicher
132: Summenmodul
133: Uhrsymbol
136_n: Vergleichsmodul (n = 0, 1, 2, ...)
138_n: Speicher (n = 1, 2, ...)
140_n: Summenmodul (n = 1, 2, ...)
A: Auslösesignal
f_e: Taktfrequenz
f_m: Taktfrequenz
f_N: Netzfrequenz
i: (Last-)Stromstärke
i_A: Strommesssignal
i_B: (Strom-)Betragssignal
i_D: Strommesssignal
i_Mn: Mittelwert (n = 1, 2, ...)
K: (Kurzschlussauslöse-)Kennlinie
k_n: Kennlinienpunkt (n = 0, 1, 2, ...)
p: Quadratsignal
p_Mn: Mittelwert (n = 0, 1, ...)
q: Anzahl
t: Zeit
t_H: Haltezeit
t_m: Taktzeit
U: (Überlastauslöse-)Kennlinie
u_n: Kennlinienpunkt (n = 0, 1, 2...)
X: Querrichtung
Y: Längsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0616347 B1 [0003]
- EP 0802552 B1 [0003]
- EP 1383217 A1 [0005]
- DE 4000627 A1 [0005]

Claims

Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters (1), – bei welchem Abtastwerte (i_B, p) eines auslöserelevanten Eingangssignals (i) oder einer hieraus abgeleiteten Größe mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz (f_m) fortlaufend erfasst werden, – bei welchen über eine Anzahl von erfassten Abtastwerten (i_B, p) ein erster Summenwert (i_M1, p_M0) gebildet wird, – bei welchem ein Auslösesignal (A) erzeugt wird, wenn der erste Summenwert (i_M1, p_M0) ein vorgegebenes erstes Auslösekriterium erfüllt, – bei welchem über eine Anzahl von ermittelten ersten Summenwerten (i_M1, p_M0) ein zweiter Summenwert (i_M2, p_M1) gebildet wird, und – bei welchem das Auslösesignal (A) auch dann erzeugt wird, wenn der zweite Summenwert (i_M2, p_M1) ein vorgegebenes zweites Auslösekriterium erfüllt.
Steuerverfahren nach Anspruch 1, bei welchem zwei aufeinanderfolgende erste Summenwerte (i_M1, p_M0) aus überlappfreien Abfolgen der Abtastwerte (i_B, p) bestimmt werden.
Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zwei aufeinanderfolgende zweite Summenwerte (i_M2, p_M1) aus überlappfreien Abfolgen der ersten Summenwerte (i_M1, p_M0) bestimmt werden.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem als Eingangssignal die Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1) fließenden Laststroms herangezogen wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 4, bei welchem der erste Summenwert (i_M1) aus einem Maß (i_B) für den Absolutbetrag der Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1) fließenden Laststroms ermittelt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 4, bei welchem der erste Summenwert (p_M0) aus einem Maß (p) für die quadrierte Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1) fließenden Laststroms ermittelt wird.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Auslösesignal (A) auch dann erzeugt wird, wenn ein einzelner Abtastwert (i_B) ein vorgegebenes Auslösekriterium erfüllt.
Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Abtastfrequenz (f_m) als ganzzahliges Vielfaches einer Netzfrequenz (f_N) eines zu überwachenden Wechselstroms gewählt wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 8, bei welchem der erste Summenwert (p_M0) über eine oder mehrere Vollperioden des zu überwachenden Wechselstroms gebildet wird.
Ansteuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem der erste Summenwert (i_M1, p_M0) aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastwerten (i_B, p) gebildet wird und/oder bei welchem der zweite Summenwert (i_M2, p_M1) aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten Summenwerten (i_B, p) gebildet wird.
Elektronischer Schutzschalter (1) – mit einem isolierenden Gehäuse (2), – mit einem Schaltkontakt (46) zum reversiblen Kontaktschluss eines zu überwachenden Laststromkreises (26), – mit einem Auslösemagnet (24), welcher über eine Auslösemechanik (30) auf den Schaltkontakt (46) wirkt, sowie – mit einer Auslöseelektronik (25) zur Ansteuerung des Auslösemagneten (24), wobei die Auslöseelektronik (25) zur automatischen Durchführung des Steuerverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.
Schutzschalter (1) nach Anspruch 11, wobei die Auslöseelektronik (25) durch einen Mikrocontroller gebildet ist, in dem ein das Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführendes Steuerprogramm (100) softwaretechnisch implementiert ist.