DE102010036080A1

DE102010036080A1 - Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen

Info

Publication number: DE102010036080A1
Application number: DE201010036080
Authority: DE
Inventors: Andreas Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Wechselstroms, mit einem Stromwandler, dessen Primärseite von dem Leiter und dessen Sekundärseite von einer Spule, insbesondere ein Luftspule, gebildet werden, mit mindestens einer nachgeschalteten analogen Verstärkereinheit (1), mit einer an die Verstärkereinheit (1) angeschlossenen digitalen Auslöseeinheit (ETU), welche den Wechselstrom anhand der Ausgangsspannung der Verstärkereinheit (1) überwacht und die Unterbrechung bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts auslöst, wobei die Auslöseeinheit (ETU) mindestens einen Analog-Digital-Wandler (ADC) umfasst. Um eine Platz- und Bauteilereduzierung zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Verstärkereinheit (1) mindestens zwei unabhängige parallel geschaltete Verstärker (IC1, IC2, IC3) aufweist, die einen gemeinsamen Verstärkereingang (Ep), unterschiedliche Verstärkungen und getrennte Verstärkerausgänge (A1, A2, A3) aufweisen, die an getrennten Eingängen (CH1, CH2, CH3) der Auslöseeinheit (ETU) angeschlossen sind, und dass die Auslöseeinheit (ETU) jeweils auswählt, welche der an ihren Eingängen (CH1, CH2, CH3) anliegenden Ausgangsspannungen dem Wechselstrom in Bezug auf die Auflösung entspricht und weiter verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Leistungsschalter für Niederspannungen, im Folgenden kurz Schalter genannt, sind bekannt und unterbrechen den durch einen Leiter fließenden Wechselstrom, wenn ein vorgegebener Grenzwert überschritten wird, wobei der Leiter durch den Schalter geführt ist. Zum Schalter gehört ein transformatorischer Stromwandler, dessen Sekundärseite eine Spule ist, die man unmittelbar am Leiter anordnet. Der Leiter selbst dient als Primärseite des Stromwandlers; er ist quasi dessen Primärspule. Dem Stromwandler ist ein Integrator nachgeschaltet, dessen Ausgangsspannung dem Wechselstrom (dem Primärstrom) proportional ist. Um die dämpfende Wirkung des Integrators zu kompensieren, wird diesem eine Verstärkereinheit nachgeschaltet. Die Ausgangsspannung wird zur Weiterverarbeitung in einer digitalen Auslöseeinheit durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Die Auslöseeinheit weist eine Mikroprozessor gesteuerte Auswerte- und Kontrolleinheit auf und überwacht den Wechselstrom anhand der digitalisierten Ausgangsspannung.
Da die Schalter über einen sehr großen Strombereich eingesetzt werden und die Genauigkeit bei der Erfassung des Wechselstroms relativ hoch sein muss, werden umschaltbare Verstärker eingesetzt, die mittels eines analogen Umschalters umgeschaltet werden. Der Umschalter wird von der Auswerte- und Kontrolleinheit gesteuert. Auf diese Art und Weise erfolgt eine einfache Anpassung der Auflösung an den jeweiligen Wechselstrom.
Der Nachteil bei dieser Art von Verstärkungseinheit ist das stromwertabhängige Umschalten der Verstärkung. Hierbei kann es vorkommen, dass die digitalisierte Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs der Auswerte- und Kontrolleinheit liegt. Weiter muss sich die Verstärkungseinheit nach jedem Umschalten der Verstärkung neu einschwingen, was zu einer zusätzlichen Wartezeit für die Wechselstromerfassung führt. Für jeden Verstärker, d. h. für jede zusätzliche Verstärkung, ist ein analoger Umschalter notwendig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Platz- und Bauteilereduzierung zu erzielen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst; die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
Die Lösung sieht vor, dass die Verstärkereinheit mindestens zwei unabhängige parallel geschaltete Verstärker aufweist, die einen gemeinsamen Verstärkereingang, unterschiedliche Verstärkungen und getrennte Verstärkerausgänge aufweisen, dass die Verstärkerausgänge an getrennten Eingängen der Auslöseeinheit angeschlossen sind und dass die Auslöseeinheit jeweils auswählt, welche der an ihren Eingängen anliegenden Ausgangsspannungen die größte Auflösung aufweist und deshalb weiter verwendet wird. Mittels der Parallelschaltung der Verstärker mit jeweils einer fest eingestellten Verstärkung können die Nachteile der stromwertabhängigen Umschaltung vermieden werden. Dabei liefern alle parallel geschalteten Verstärker kontinuierliche Ströme (Stromwerte) an die Auslöseeinheit. Die unterschiedlich verstärkten Ströme liegen somit gleichzeitig an der Auslöseeinheit an und können parallel verarbeitet werden. Ein Umschalten der Verstärkung ist nicht mehr notwendig, so dass auch keine zu berücksichtigenden Wartezeiten mehr auftreten.
Zweckmäßigerweise wird jeweils die Ausgangsspannung verwendet, deren Auflösung von den Ausgangsspannungen der Verstärker am größten ist.
Die getrennten Verstärkerausgänge werden mit Vorteil über einen einzigen Multiplexer mit dem Analog-Digital-Wandler verbunden.
Eine Übersteuerung und/oder Beschädigung der Auswerteeinheit lässt sich vermeiden, wenn die Versorgungsspannungen für den Multiplexer und die Verstärker gleich sind.
Anstelle einer Verstärkereinheit mit mehreren Verstärkereinstellungen, welche über einen speziellen Algorithmus der Auswerteeinheit ETU angesteuert werden, werden mehrere Verstärker mit unterschiedlicher jeweils fest eingestellter Verstärkung parallel geschaltet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
1 eine Verstärkereinheit mit drei parallel geschalteten Verstärkern und
2 eine Verstärkereinheit mit drei Verstärkern, von denen zwei parallel geschaltet sind.
1 zeigt eine Auslöseeinheit ETU eines Leistungsschalters für Niederspannungen, im Folgenden kurz Schalter genannt, der eine Verstärkereinheit 1 aufweist, die drei parallel geschalteten Verstärker (hier Operationsverstärkern) IC1, IC2, IC3 mit einem gemeinsamen Verstärkereingang Ep umfasst. Der Schalter dient zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Wechselstroms, wobei der Leiter durch den Schalter verläuft und der Wechselstrom (Primärstrom) über einen transformatorischen Stromwandler (nicht gezeigt) erfasst wird. Der dem Stromwandler nachgeschaltete Integrator (ebenfalls nicht gezeigt) ist an den Verstärkereingang E angeschlossen. Der Wechselstrom durch den Leiter wird anhand der Ausgangsspannungen der drei unabhängigen Verstärker IC1, IC2, IC3 überwacht. Jeder Verstärker IC1, IC2, IC3 weist eine andere Verstärkung auf. So weist z. B. der Verstärker IC1 die Verstärkung 1, der Verstärker IC2 die Verstärkung 10 und der Verstärker IC3 die Verstärkung 100 auf. Die Verstärkerausgänge A1, A2, A3 liegen an den getrennten Eingängen CH1, CH2, CH3 der Auslöseeinheit ETU an. Die Auslöseeinheit ETU ist mit einem internen Multiplexer MP versehen, welcher die Eingänge CH1, CH2, CH3 jeweils zeitlich nacheinander mit einem ebenfalls internen Analog-Digital-Wandler ADC verbindet.
Die Auslöseeinheit ETU umfasst eine Auswerte- und Kontrolleinheit AK, die von einem Mikroprozessor MC gesteuert wird. Die Auswerte- und Kontrolleinheit AK wählt jeweils diejenige Ausgangsspannung A1 oder A2 oder A3 der drei Ausgangsspannungen A1, A2, A3 aus, deren Auflösung am größten ist. Dies ist jeweils die Ausgangsspannung A1 oder A2 oder A3, die den größten Spannungswert aufweist, ohne die maximale Ausgangsspannung des zugehörigen Verstärkers zu überschreiten.
Die Versorgungsspannungen VCC der Verstärker IC1, IC2, IC3 und des Multiplexers MP sind jeweils gleich, um Übersteuerungen zu vermeiden.
Durch die Parallelschaltung der Verstärker IC1, IC2, IC3 werden diese nicht mehr ein- und ausgeschaltet, so dass keine Einschwingvorgänge mehr auftreten, die jeweils eine Mindestwartezeit erfordern würden. Die Parallelschaltung führt daneben zu einer Entlastung der Auslöseeinheit ETU.
2 zeigt eine alternative Ausführung der Verstärkereinheit 1. Bei dieser sind zwei Verstärker IC5, IC6 parallel geschaltet, wobei deren gemeinsamer Eingang Ep am Ausgang des Verstärkers IC4 liegt, der den beiden Verstärkern IC5, IC6 vorgeschaltet ist und dessen Eingang den gemeinsamen Eingang E der Verstärkereinheit 1 bildet.

Claims

Schalter, insbesondere Leistungsschalter für Niederspannungen, zur Unterbrechung eines durch einen Leiter fließenden Wechselstroms, mit einem am Leiter angeschlossenen transformatorischen Stromwandler, dessen Primärseite von dem Leiter und dessen Sekundärseite von einer Spule, insbesondere ein Luftspule, gebildet werden, mit einem dem Stromwandler nachgeschalteten Integrator, insbesondere einen Tiefpass, mit mindestens einer dem Integrator nachgeschalteten analogen Verstärkereinheit (1), mit einer an die Verstärkereinheit (1) angeschlossenen digitalen Auslöseeinheit (ETU), welche den Wechselstrom anhand der Ausgangsspannung der Verstärkereinheit (1) überwacht und die Unterbrechung bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts auslöst, wobei die Auslöseeinheit (ETU) mindestens einen Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Digitalisierung der Ausgangsspannung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinheit (1) mindestens zwei unabhängige parallel geschaltete Verstärker (IC1, IC2, IC3) aufweist, die einen gemeinsamen Verstärkereingang (Ep), unterschiedliche Verstärkungen und getrennte Verstärkerausgänge (A1, A2, A3) aufweisen, dass die Verstärkerausgänge (A1, A2, A3) an getrennten Eingängen (CH1, CH2, CH3) der Auslöseeinheit (ETU) angeschlossen sind und dass die Auslöseeinheit (ETU) jeweils auswählt, welche der an ihren Eingängen (CH1, CH2, CH3) anliegenden Ausgangsspannungen dem Wechselstrom in Bezug auf die Auflösung entspricht und weiter verwendet wird.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung verwendet wird, deren Auflösung von allen Ausgangsspannungen am größten ist.
Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die getrennten Verstärkerausgänge über einen Multiplexer (MP) mit dem Analog-Digital-Wandler (ADC) verbunden sind.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannungen für den Multiplexer (MP) und die Verstärker (IC1, IC2, IC3) dieselben sind.