DE102010033238A1

DE102010033238A1 - Leistungsschalter und Einrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters

Info

Publication number: DE102010033238A1
Application number: DE201010033238
Authority: DE
Inventors: Andreas Fischer; Martin Müllhofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2012013737A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters und einen Leistungsschalter, insbesondere für Niederspannungen, zur Unterbrechung eines durch einen Leiter (2) fließenden Wechselstroms bei Überschreitung eines Strom-Grenzwerts mit Hilfe einer elektronischen Auslöseeinheit (1), mit einem am Leiter (2) angeschlossenen transformatorischen Stromwandler (3), insbesondere einen Eisenkernwandler, der primärseitig von dem Wechselstrom durchflossen wird und den Wechselstrom in einen Sekundärstrom wandelt, mit einem Brückengleichrichter (5), der zwei Eingänge (E1, E2) und zwei Ausgänge (A1, A2) aufweist, wobei der Stromwandler (3) an die beiden Eingänge (E1, E2) angeschlossen ist und der Brückengleichrichter (5) den Sekundärstrom in eine pulsierende Ausgangs-Gleichspannung umwandelt, die an einem Ausgang (A1) anliegt. Um eine einfache Überwachung der elektrischen Verbindungen zwischen dem Stromwandler und der Auslöseeinheit auf Unterbrechung anzugeben, wird vorgeschlagen, dass ein Ausgang (A1) mit der pulsierenden Ausgangs-Gleichspannung jeweils für eine Zeit kurzgeschlossen wird und dass die Spannung, die sich bei nicht kurzgeschlossenem Ausgang (A1) an einem der beiden Eingänge (E2) einstellt, verwendet wird, um die elektrische Verbindung (VL) mit dem Stromwandler (3) zu überwachen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters und einen Leistungsschalter mit einer solchen Einrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
Leistungsschalter für Niederspannungen sind bekannt und unterbrechen den Wechselstrom, der durch einen Leiter fließt bei Überschreitung eines Grenzwerts, wobei der Leiter durch den Leistungsschalter verläuft. Der Strom wird dazu mit Hilfe einer elektronischen Auslöseeinheit überwacht. Zur Erfassung des Stroms dient ein Stromwandler, der nach Art eines Transformators arbeitet, dessen Primärseite von dem Leiter und dessen Sekundärseite von einer (Sekundär-)Wicklung mit Eisenkern gebildet wird. Die Wicklung ist unmittelbar am Leiter angeordnet und gibt einen Sekundärstrom ab. Der Sekundärstrom ist bei Eisenkernwandlern über einen großen Dynamikbereich proportional zum Wechselstrom bzw. dem Primärstrom. Der Sekundärstrom wird mittels eines Brückengleichrichters in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt, die an dessen beiden Ausgängen zur Verfügung steht und deren Effektivwert jeweils proportional zum zu erfassenden Wechselstrom ist.
Der Sekundärstrom wird meist zur Stromversorgung der Auslöseeinheit verwendet, weshalb die pulsierende Gleichspannung mittels eines Kondensators geglättet wird. Dieser wird dabei von der pulsierenden Gleichspannung entsprechend aufgeladen.
Der Stromwandler und die Auslöseeinheit sind zu deren Stromversorgung elektrisch miteinander verbunden, wobei die Verbindung äußeren Einflüssen wie z. B. Vibration oder Korrosion ausgesetzt ist, was zu unerwünschten Unterbrechungen führen kann. Die Auslöseeinheit kann in einem solchen Falle keinen Strom mehr detektieren und den Leistungsschalter aufgrund eines Überstroms nicht mehr abschalten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Überwachung der elektrischen Verbindungen zwischen dem Stromwandler und der Auslöseeinheit auf Unterbrechung anzugeben.
Die Aufgabe wird bezogen auf den Leistungsschalter durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Einrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht bezogen auf den Leistungsschalter und die Einrichtung vor, dass ein Ausgang für eine Zeit kurzgeschlossen wird und dass die Spannung, die sich mit Aufhebung des Kurzschlusses, also bei nicht kurzgeschlossenem Ausgang, an einem der beiden Eingänge einstellt, verwendet wird, um die elektrische Verbindung mit dem Stromwandler zu überwachen. Unterbrechungen der Verbindungen zwischen Stromwandler und Auslöseeinheit werden auf diese Weise schnell und sicher erkannt und überwacht.
Eine technisch einfache Ausführung sieht vor, dass das Kurzschließen des ersten Ausgangs über das Aufladen bzw. Entladen eines Kondensators gesteuert wird.
Im einfachsten Falle erfolgt das Kurzschließen jeweils bei Überschreiten einer vorgegebenen Spannung am Kondensator.
Der technische Aufwand lässt sich verringern, wenn die Spannung am Kondensator zur Stromversorgung der Auslöseeinheit verwendet wird.
Zur Speicherung kann die Spannung, die sich bei kurzgeschlossenem Ausgang an dem einen der beiden Eingänge einstellt, auf einen Spitzenwertdetektor geschaltet werden.
Die Erfassung des Sekundärstroms vereinfacht sich, wenn die Ausgangs-Gleichspannung an dem einen der beiden Eingänge (E2) um einen Teil der Ausgangsspannung offsetmäßig verschoben ist, der durch ein Widerstandsverhältnis einstellbar ist.
Zweckmäßigerweise vergleicht die Auslöseeinheit den Sekundärstrom mit dem Strom-Grenzwert und löst die Unterbrechung bei Überschreitung des Strom-Grenzwerts aus.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt die elektrische Schaltung S einer Einrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters für Niederspannungen. Vom Leistungsschalter ist in der Schaltung S nur eine elektronische Auslöseeinheit 1 (Electronic Trip Unit ETU) schematisch gezeigt, die den Leistungsschalter auslöst, wenn der durch einen Leiter 2 fließende Wechselstrom einen vorgegebenen Strom-Grenzwert überschreitet. Der Leiter 2 verläuft hierbei durch den Leistungsschalter.
Zur Erfassung des Wechselstroms dient ein Stromwandler 3, der unmittelbar am Leiter 2 angeordnet ist. Der Stromwandler 3 umfasst eine Wicklung 4 und erzeugt nach Art eines Transformators über miteinander gekoppelte magnetische Felder einen Sekundärstrom. Dabei bildet der Leiter 2 die Primärwicklung und die Wicklung 4 die Sekundärwicklung. In der Schaltung S ist der Stromwandler 3 mit einem Eisenkern versehen; es handelt sich also um einen Eisenkernwandler.
Primärseitig wird der Stromwandler 3 von dem Wechselstrom (Primärstrom) durchflossen und über die sekundärseitige Wicklung 4 fließt der induzierte Sekundärstrom ab. Die Wicklung 4 ist an einem Brückengleichrichter 5 angeschlossen, der aus den vier Dioden D1–D4 gebildet wird und zwei Eingänge E1, E2 und zwei Ausgänge A1, A2 aufweist. Am Ausgang A1 des Brückengleichrichters 5 liegt nach der Gleichrichtung eine pulsierende Ausgangs-Gleichspannung an. Gemessen wird die Gleichspannung am Ausgang A2, die über einen Widerstand R3 gegen Masse abfällt; diese ist jeweils proportional zum zu überwachenden Wechselstrom und wird der Auslöseeinheit 1 (gestrichelte Linie L) zugeführt, die sie mit dem vorgegebenen Strom-Grenzwert vergleicht.
Über einen Mosfet Q1 wird der Ausgang A1 des Gleichrichters 5 in Abhängigkeit von der Ladespannung am Kondensator C jeweils kurzzeitig mit Masse verbunden und damit kurzgeschlossen. Die dadurch generierten Spannungsimpulse am Punkt A werden zur Feststellung von Unterbrechungen der Verbindungsleitungen VL zum Stromwandler 3 verwendet. Unterbrechungen liegen vor, wenn die Verbindungsleitungen von der Wicklung 4 zum Brückengleichrichter 5 unterbrochen sind, also z. B. ein Drahtbruch vorhanden ist.
Die Verbindungsleitungen VL sind in der Schaltung S schematisch als Kästchen dargestellt. Die Spannung am Punkt A wird mittels eines nachgeschalteten Spitzenwertdetektors SD erfasst und gehalten, wobei dessen Ausgang AD mit der Auslöseeinheit 1 verbunden ist. Wird eine Unterbrechung festgestellt, so löst die Auslöseeinheit 1 den Leistungsschalter aus (oder gibt ein Warnsignal und dergleichen für eine Bedienperson aus).
Nachfolgend wird die Schaltung S in Bezug auf Unterbrechungen näher beschrieben. Der Mosfet Q1 zum Kurzschließen des Ausgangs A1 gehört hier speziell zu einem die Auslöseeinheit 1 mit Strom versorgenden Netzteils N, dessen Eingang EN mit dem Ausgang Al verbunden ist. Das Netzteil N wird von dem Stromwandler 3 über den Gleichrichter 5 gespeist; zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung dient ein Kondensator C. Fließt ein Strom durch den Stromwandler 3, so wird der Kondensator C auf eine Spannung VCC aufgeladen. Bei Erreichen der Spannung VCC schaltet der Komparator CS, der einen Vergleich mit einer Referenzspannung 6 durchführt, den Mosfet Q1 durch, d. h. der Stromwandler 3 wird über den Mosfet Q1 kurzgeschlossen. Bei Unterschreiten einer vorgegebenen Spannung wird der Kurzschluss wieder aufgehoben und der Kondensator C nachgeladen. Dies erfolgt mehrmals pro Halbwelle des Sekundärstroms, bei einer Frequenz von 50 Hz z. B. fünf Mal pro Halbwelle. Immer wenn eine Nachladung erfolgt, sind zwei Dioden des Brückengleichrichters 5 leitend, z. B. die Dioden D1 und D4 bzw. D2 und D3, und die beiden anderen Dioden D2 und D3 bzw. D1 und D4 jeweils sperrend. An den sperrenden Dioden fällt die Kondensatorspannung (= VCC) plus die Vorwärtsspannung der Dioden D2 und D7 ab. Liegt eine Unterbrechung vor, so fließt kein Sekundärstrom und damit kein Strom durch die Dioden D1–D4 und an den sperrenden Dioden D2 und D3 bzw. D1 und D4 fällt auch keine Sperrspannung mehr ab. Dieser Effekt wird zur Erkennung einer Unterbrechung genutzt.
Es sind dabei 3 Fälle zu unterscheiden:
1. Keine Unterbrechung:
An den sperrenden Dioden fallen die Sperrspannungen ab, die am Potentialpunkt A anliegen. Diese Sperrspannungen (die Sperrspannungsimpulse), die durch das Nachladen hervorgerufen werden, werden von einem Spitzenwertdetektor SD so verarbeitet, dass an dessen Ausgang AD, der über den Widerstand R6 an VCC angeschlossen ist, ein digitales Signal abgegeben wird. Die Sperrspannungsimpulse an den Gleichrichterdioden werden von der Spitzenwertdetektion sozusagen ”gespeichert” (durch geeignete Dimensionierung von R5 und C2). Liegt keine Unterbrechung vor, ist der Mosfet Q2 leitend. Das Spannungspotential am Ausgang AD beträgt ca. 0 V.
2. Unterbrechung liegt vor:
Es fließt kein Sekundärstrom des Stromwandler 3 in die Auslöseeinheit 1. Demzufolge fließt auch kein Strom durch den Brückengleichrichter 5 und es entstehen auch keine Sperrspannungsimpulse an den Gleichrichterdioden D1–D4. Das Spannungspotential am Punkt A ist daher ca. 0 V. Der Mosfet Q1 sperrt und das Spannungspotenzial am Ausgang AD liegt auf VCC.
3. Keine Unterbrechung, aber der Stromwandler 3 gibt keinen Sekundärstrom ab:
Der Innenwiderstand des Stromwandlers 3 mit Eisenkern ist im Allgemeinen klein (weit unter 1 kOhm). Über den Widerstand R2 wird eine Gleichspannung, hier VCC, hochohmig eingekoppelt und der Punkt A liegt auf einem Spannungspotential X. Mittels eines Spannungsteilers ST, der von den Widerständen R1, R2 gebildet wird, wird das Potential im Punkt A zusätzlich angehoben. Die Dimensionierung der Widerstände R2 und R1 erfolgt so, dass das Spannungspotential X am Punkt A so groß ist, dass der Mosfet Q2 sicher leitet (hier R1 = 20 kOhm und R2 = 20 kOhm). Bei einem angenommen Spannungswert von VCC = 12 V liegt der Punkt A auf einem Spannungspotential X von ca. 6 V (VCC/2), da der Innenwiderstand des Stromwandlers 3, z. B. 100 Ohm, sehr viel kleiner als 20 kOhm ist.
Unterbrechungen zwischen der Wicklung 4 (dem Eisenkernstromwandler) und der Auslöseeinheit 1 werden also mit Hilfe einer Spitzenwertdetektion ermittelt. Die dafür erforderlichen Spannungsimpulse werden hier durch das Netzteil N generiert.
Die Ausgangs-Gleichspannung an dem Eingang E2 ist um einen Teil der Ausgangsspannung (VCC) offsetmäßig verschoben, der dem Widerstandsverhältnis von R1 und R2 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN mit dem Ausgang Al [0019]

Claims

Leistungsschalter, insbesondere für Niederspannungen, zur Unterbrechung eines durch einen Leiter (2) fließenden Wechselstroms bei Überschreitung eines Strom-Grenzwerts mit Hilfe einer elektronischen Auslöseeinheit (1), mit einem am Leiter (2) angeschlossenen transformatorischen Stromwandler (3), insbesondere einen Eisenkernwandler, der primärseitig von dem Wechselstrom durchflossen wird und den Wechselstrom in einen Sekundärstrom wandelt, mit einem Brückengleichrichter (5), der zwei Eingänge (E1, E2) und zwei Ausgänge (A1, A2) aufweist, wobei der Stromwandler (3) an die beiden Eingänge (E1, E2) angeschlossen ist und der Brückengleichrichter (5) den Sekundärstrom in eine pulsierende Ausgangs-Gleichspannung umwandelt, die an einem Ausgang (A1) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (A1) mit der pulsierenden Ausgangs-Gleichspannung jeweils für eine Zeit kurzgeschlossen wird und dass die Spannung, die sich mit Aufhebung des Kurzschlusses an einem der beiden Eingänge (E2) einstellt, verwendet wird, um die elektrische Verbindung (VL) mit dem Stromwandler (3) zu überwachen.
Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschließen des ersten Ausgangs (A1) über das Aufladen bzw. Entladen eines Kondensators (C) gesteuert wird.
Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschließen bei Überschreiten einer vorgegebenen zum Kondensator (C) korrespondierenden Spannung erfolgt.
Leistungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C) am Ausgang einer Stromversorgung (N) liegt, die vom Sekundärstrom gespeist wird.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung, die sich mit Aufhebung des Kurzschlusses an dem einen der beiden Eingänge (E2) einstellt, auf einen Spitzenwertdetektor (SD) geschaltet ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangs-Gleichspannung an dem einen der beiden Eingänge (E2) um einen Teil der Ausgangsspannung (VCC) offsetmäßig verschoben ist.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinheit (1) den Sekundärstrom mit dem Strom-Grenzwert vergleicht und die Unterbrechung bei Überschreitung des Strom-Grenzwerts auslöst.
Leistungsschalter nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung (N) die Auslöseeinheit (1) mit Strom versorgt.
Einrichtung zur Überwachung eines Leistungsschalters, der eine elektronischen Auslöseeinheit (1) aufweist, die eine Unterbrechung eines durch einen Leiter (2) fließenden Wechselstroms auslöst, wenn der Wechselstrom einen Strom-Grenzwert überschreitet, mit einem Stromwandler (3), dessen Primärseite vom Leiter (2) gebildet ist und der sekundärseitig nach Art eines Transformators einen Sekundärstrom erzeugt, mit einem Brückengleichrichter (5), der zwei Eingänge und Ausgänge (A1, A2) aufweist, wobei der Stromwandler (3) sekundärseitig an die beiden Eingänge angeschlossen ist und der Brückengleichrichter (5) den Sekundärstrom in eine pulsierende Ausgangs-Gleichspannung umwandelt, die jeweils an den beiden Ausgängen (A1, A2) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (A1) für eine Zeit kurzgeschlossen wird und dass die Spannung, die sich mit Aufhebung des Kurzschlusses an einem der beiden Eingänge (E2) einstellt, verwendet wird, um die elektrische Verbindung (VL) mit dem Stromwandler (3) zu überwachen.