-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Steckvorrichtung bei maritimen Schaltapparaten – insbesondere den Bereich der Energieversorgung von Schiffs-Containern über schaltbare Container-Steckdosen betreffend – mit erweiterter Funktionalität durch den Einsatz des mikrokontrollergesteuerten Halbleiterschalters.
-
Bei der elektrischen Energieversorgung und elektronischen Überwachung von im besonderen Kühl-Containern an Bord von Schiffen oder an Land im Verladebereich ist es üblich, Einzelsteckverbindungen für beide Funktionen an geeigneter Stelle zu positionieren. In einer nächsten Entwicklungsstufe werden die Einzelsteckdosen in schutzart- und -klassegeeigneten Gehäusen in Mehrfachsteckdosen zusammengefaßt und in der Umgebung des Container-Aufstellungsbereichs vorgehalten.
-
Auf Grund von internationalen Normen und Bestimmungen unterliegt die elektrische Steckverbindung zur Energieversorgung speziellen Vorschriften, die u. a. besagen, daß die Steckverbindung nur (astfrei getrennt werden darf, d. h. daß während des Steckens oder des Trennens der Steckverbindung der Energiefluß nicht durch die Steckerkontakte derselben beeinflußt wird, sondern die Schalthandlung in einem schaltverhaltenangepaßten Schalter erfolgt, der über die Steckeinrichtung elektrisch und mechanisch verriegelt ist. Vorzugsweise wird als Schalter ein elektromechanischer Leistungsschalter eingesetzt, der auch einen Überlast- und/oder Kurzschlußschutz aufweisen kann, d. h. die Schalter sind für hohe Ströme ausgelegt und besitzen stets eine bauteilspezifische zuvor definierte Auslösekennlinie. Bei einer unterbrochenen elektrischen Leitung verlangt die Norm offene Kontakte, wobei die Arbeitskontakte einen Mindestabstand – meist in mm Luftweg – aufweisen müssen.
-
Weitergehende Entwicklungen bei Container-Steckdosen sehen vor, daß eine mechanische Betätigungsvorrichtung die Schalthandlung bewirkt. Eine mechanische, meist drehbar gelagerte Betätigungsvorrichtung besitzt an den Enden je einen Hebel, der einerseits im Innengehäuse auf die Betätigung des Leistungsschalters wirkt und – nach außen geführt – auf die Verriegelung des Steckers in der Steckeraufnahme, so daß der Stecker nicht unter Last gezogen werden kann und auch erst Strom fließt, wenn der Stecker gesteckt ist.
-
Eine weitere Ausführungsform integriert den außen wirkenden Hebel in die Steckvorrichtung derart, daß der gesteckte Stecker in eine Kontaktierungsposition – Schalthandlung – gedreht werden muß und diese Drehung über Gestänge die Freischaltung des Leistungsschalters bewirkt; eine optische Schaltstellungserkennung ist nicht mehr gegeben.
-
Eine weitere Modifikation erfährt die Vorrichtung dadurch, daß – bei Mehrfach-Anordnung der Steckeraufnahmen – diese modulartig aufgebaut ist, wobei ein Modul aus Steckeraufnahme, Leistungsschalter und mechanischem, auf den Leistungsschalter wirkenden Schalter gebildet wird.
-
Elektronische Schalter sind Teil moderner Automatisierungstechnik, ohne die sich – in einem engen Toleranzfeld bewegend – bestimmte Prozesse nicht durchführen und damit verbundene Produkte nicht herstellen lassen. So haben schnell und präzise schaltende, steuerbare Halbleiterschalter das traditionelle 2-Zustands-Schütz oder -Relais verdrängt, wie z. B. in der Kunststoff-Produktion. In schnellem Takt geschaltete Induktivitäten – wie Magnetventile, Magnetkupplungen und -bremsen sowie alle Art von elektromagnetischen Spulenanordnungen – haben die Lebensdauer elektromechanischer Schaltelemente – wie Schütze oder Relais – drastisch reduziert. Korrekt dimensionierte Halbleiterschalter schalten schnell und präzise, verursachen nur minimale elektromagnetische Störungen und weisen eine theoretische Lebensdauer von ca. 1010 Schaltspielen aus.
-
Halbleiterschalter werden auch zum schnellen Schalten von Motoren eingesetzt, wo eine diffizile Drehzahlsteuerung mittels Frequenzumrichter oder Servotechnik überzogen wäre, das traditionelle Schütz oder Relais aber Probleme mit der Standzeit der Kontaktsätze verursacht, vor allem beim schnellen Wechsel der Motordrehrichtung. Während in den Anfängen Halbleiterschalter im wesentlichen für die Leiterplattenmontage angeboten wurden, sind heute schaltschrankangepaßte Reiheneinbaugeräte (REG) als Komplettgeräte in bekannten Standardmaßen verfügbar. Da bei einem Halbleiterschalter Thyristoren als Schaltelement zum Einsatz kommen, sind mögliche Störfaktoren im Betrieb wärmeverursachende Quellen wie
- – Spannungsspitzen in der Netzversorgung
- – Überhitzen durch Überlastung
- – Überhitzen durch zu hohe Umgebungstemperatur
- – Überlastung durch Kurzschluß.
-
Der Nennstrom eines Verbrauchers, der über den Halbleiterschalter fließt, ist erheblich niedriger als der Einschaltstrom. Für die Motor-Auslegung von Halbleiterschaltern wird von dem Strom ausgegangen, der beim Blockieren des Motors bis zur Auslösung durch den Motorschutz fließt. Die Eigenwärme des Halbleiterschalters muß optimal abgeführt werden, durch lagegerechten Einbau, ggf. auch über zusätzliche Kühlkörper, auch ventilatorbelüftet und/oder an die Außenwand von Schaltschränken montiert. Gegen Spannungsspitzen helfen RC-Kombinationen und/mit Varistoren. Die Wahrscheinlichkeiten eines direkten Kurzschlusses sind bei elektrischen Festinstallationen gering; Kurzschlußschutz kann durch Absicherung mittels superflinker Halbleitersicherungen erreicht werden. Bei korrekt abgestimmten Leitungslangen, -querschnitten und Thyristoren genügt oft der Einsatz von Sicherungsautomaten mit B- oder Z-Kennlinie.
-
Wegen seiner Ansteuerbarkeit über zwei Schaltzustände hinaus, ist der Halbleiterschalter in Verbindung mit programmierbarer Logik kommunikationsfähig, betriebsparameterüberwachend und schaltfunktionssteuernd. Zur Erläuterung anbei einige Standard-Applikationen.
- – Bei der Ein-/Aus-Schaltfunktion wird der Lastkreis in der Funktion als Nullspannungsschalter ein- oder ausgeschaltet, d. h. die Leistung ist entsprechend 0% oder 100%. Diese Funktion entspricht bekannten Schätzschaltungen, die Besonderheit liegt im Schalten bei Nulldurchgang der Phase (mit Schätzschaltungen nicht realisierbar).
- – Der Leistungshalbleiter des Schalters wird wie bei bekannten Dimmerschaltungen phasenanschnittgesteuert; die Halbwelle wird verzögert angesteuert, die Fläche unter der Halbwelle ist ein Maß für die Energie. Die Leistung kann zwischen 0% und 100% stufenlos gesteuert werden.
- – Bei der analogen Vollwellensteuerung werden eine bestimmte Anzahl von Vollwellen über eine festgelegte Zeit durchgesteuert. Da auch hier die Fläche unter den Vollwellen ein Maß für die abgegebene Energie ist, wird eine sehr hohe Regelgenauigkeit und – wegen der Vollwellen, im Gegensatz zum Phasenanschnitt – wenig Störabstrahlung verursacht.
- – Bei der Impulspaketsteuerung wird ein Paket von Vollwellen innerhalb einer definierten Zeitdauer geschaltet; die benötigte Leistung wird auf das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit proportional übertragen.
-
Im folgenden wird vorgeschlagen, den elektromechanischen 2-Zustands-Leistungsschalter innerhalb der elektrischen Steckvorrichtung durch einen mikrokontrollergesteuerten Halbleiterschalter mit Mehrfunktionalität in einer besonderen Schaltungsanordnung zu ersetzen.
-
Nach dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Anwendungen bekannt geworden, die sich dem Thema 'Schaltbare Container-Steckdose' widmen. Bezüglich der Würdigung des Stands der Technik wird sich im folgenden auf die Beschreibung der verbesserten Schalthandlung beschränkt.
-
Das deutsche Gebrauchsmuster
DE 20 2004 010 818 /internationale Veröffentlichung
WO 2006 005 485 stellt eine Vorrichtung zur Betätigung eines in einem Gehäuse angeordneten Leistungsschalters derart vor, daß die Steckeraufnahme einen drehbaren Teil besitzt, der bei Drehbewegung – nur bei eingestecktem mehrpoligen Stecker – über ein Kupplungsstück auf die Schalteinrichtung des Leistungsschalters wirkt. Bei dieser vorgeschlagenen Anordnung entfällt der bisher angewendete zusätzliche, meist als Kipp-/Drehhebel ausgeprägte dreidimensionale Schalt- und Kupplungsmechanismus vollständig. Der Stecker kann nur in einer bestimmten Drehlage eingesteckt oder entfernt werden.
-
Nur aus der Drehlage des gesteckten Steckers kann auf den Schaltzustand des Leistungsschalters geschlossen werden; es erfolgt keine weitere Anzeige des Schaltzustands. Weiterhin bleibt es bei einer mechanisch anspruchsvollen Lösung eines auf den Leistungsschalter wirkenden Schalthakens, dessen eine Seite den Kipphebel des Leistungsschalters umfaßt und dessen andere Seite die Kugelschale eines Kugelgelenks bildet. Über die Drehbewegung des Steckers in der Steckeraufnahme vollführt der Schalthaken eine auf den Leistungsschalter wirkende Längs-/Kippbewegung, die eine Schalthandlung auslöst.
-
Die Lösung setzt weiterhin eine exakte dreidimensionale Anordnung der die Mechanik ausführenden elektrischen Komponenten Steckeraufnahme und Leistungsschalter voraus. Bei der dem Verschleiß unterliegenden mechanischen Verbindung 'Schalthaken', bei einem Verklemmen, Verstauchen oder Verbiegen kommt es zum Erliegen der Ausführung der Schalthandlung.
-
-
Der Mangel, daß bei derartigen Anordnungen keine oder nur eine mechanische Anzeige über den Schaltzustand erfolgt, wird durch die Patentanmeldung 'Elektrische Zustandsanzeige bei maritimen Schaltapparaten', Nr.
DE 10 2007 010 193.9 , beseitigt. Ergänzt wir die Anmeldung durch die Offenlegung 'Leuchtmodul für optische Zustandsanzeigen maritimer Schaltapparate', Nr.
DE 10 2008 028 227 .
-
An dem mehrphasigen elektrischen Aufbau der Container-Steckdose – bestehend aus den Meß- und Prüfpunkten Eingangsspannung, Leistungsschalter und Ausgangsspannung – wird der elektrische Zustand jeder der Phasen an den Meß- und Prüfpunkten oder der zusammengefaßte elektrische Zustand der Phasen an den Meß- und Prüfpunkten 1-phasig abgefragt, verarbeitet und optisch und ggf. akustisch zur Anzeige gebracht. Gemäß des Gebrauchsmusters
DE 20 2007 013 421 wird auch der Versuch unternommen, eine zustandsanzeigende Leuchte mit der Steckeraufnahme mechanisch zu verbinden; über die Beschaltung der Leuchte wird keine Aussage gemacht.
-
In einer weiteren Anmeldung 'Elektrischer Sensor und Aktor bei maritimen Schaltapparaten', Nr.
DE 10 2007 012 427.0 , wird ein elektrischer Schaltsensor und -aktor bei maritimen Schaltapparaten, insbesondere den Bereich der Energieversorgung von Schiffs-Containern über schaltbare Container-Steckdosen betreffend, vorgestellt.
-
Der mehrphasige elektrische Aufbau der Container-Steckdose – bestehend aus Eingangsversorgung, Leistungsschalter und Steckeraufnahme – wird im Bereich der Steckeraufnahme um einen Anschläge und/oder Stecker erfassenden Schaltsensor ergänzt, der über einen dem Leistungsschalter vorgeschalteten Schaltaktor auf den Leistungsschalter wirkt.
-
Der Ablauf der Schalthandlung pro Steckplatz gestaltet sich wie folgt; der mehrpolige Stecker wird
- a) in die entriegelte Einbaukupplung gesteckt
- b) zum Schalten bis zum Anschlag gedreht
- c) durch einen verriegelnden Überwurf gesichert.
-
Die Netzfreischaltung ist ein bereits seit langem praktiziertes Verfahren in der elektrischen Versorgungs- und Installationstechnik. Bei jeder Art von Eingriff in elektrische Netze und Anlagen ist die vorherige Freischaltung des Netzes verpflichtend unter Rücksicht auf Leib und Leben.
-
Zum Schutz vor elektrischen und magnetischen Feldern wird die selektive Netzfreischaltung in Wohnräumen von Gebäuden – vor allem Schlafräumen – empfohlen. Dabei werden verbraucherfreie leerlaufende Versorgungsleitungen – 230 V/50 Hz – ab- oder freigeschaltet und bei Bedarf zugeschaltet. Der Vorgang kann manuell oder automatisiert erfolgen.
-
Für die automatisierte Freischaltung werden am Markt erhältliche Netzfreischalter angeboten. Ihre Wirkungsweise beruht auf einer dem entsprechenden Stromkreis angebotenen Prüfspannung von 3 V, 6 V, 12 V oder 24 V; liegt meßtechnisch kein Stromfluß vor I (t, t > t1) = 0 A, ist kein Verbraucher eingeschaltet, die Versorgungsleitung/der Netzstrang kann ab- oder freigeschaltet werden.
-
Die Prüfung wird nach vorgegebenem zeitlichen Algorithmus wiederholt; liegt ein meßtechnisch ermittelter Stromfluß I (t, t > t2 mit t2 > t1) ≠ 0 A vor, gibt der Netzfreischalter den Strang frei, das Versorgungsnetz wird zugeschaltet.
-
Netzfreischalter für den Gleich- und den Wechselstrombetrieb kommen serienmäßig bei an öffentlichen Netzen betriebenen privaten Einspeisungen zum Einsatz, wie z. B. Photovoltaik-Anlagen.
-
Ein Vorteil der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß der Anwender die elektromechanische Verbindung des mehrpoligen Steckers mit der Gehäuse-Einbaukupplung vornimmt – Schalthandlung b) entfällt – und die weitergehende Zuschaltung der Netzversorgung nach erfolgreichen lastseitigen rechnerunterstützten Prüfungen und Messungen erfolgt.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausprägung, der Offenlegung
DE 10 2007 014 726 , wird eine elektrische Prüf- und Schalteinrichtung für Container-Steckdoseneinrichtungen vorgestellt, wobei die Erfassung des mehrpoligen Steckers in der Steckeraufnahme der Container-Steckdose durch einen Schaltsensor rechnerunterstützte lastseitige Prüfungen und Messungen verursacht, deren ebenfalls rechnerunterstützte Auswertung eine ein- oder mehrphasige Freischaltung der Netzversorgung des elektrischen Verbrauchers bewirkt bei mitlaufender lastseitiger Überwachung der Netzparameter. Die Anwendung der Erfindung hat allgemeingültigen Charakter und eignet sich für alle leistungs- und/oder schutzgeschalteten elektrischen Systeme.
-
Unabhängig von den charakteristischen Forderungen an Komponenten elektrischer Schiffsausrüstung wie Temperaturstabilität – auch bei Wechseleinsätzen – Einsatz selbstverlöschender Materialien – über die Schwerentflammbarkeit hinaus – vibrationsfeste Werkstoffe und Verbindungstechnik – sind die Drehstromnetze vom Generator kommend 3-phasig mit oder ohne Nulleiter mit oder ohne Schutzleiter verlegt. Die Netze werden erdschlußüberwacht; meßtechnische Einrichtungen dürfen einen Summen-Fehlerstrom von > 30 mA nicht überschreiten. Der Abgriff von Spannungen wie 400 V Phase gegen Phase im 3-Leiter-Netz und 230 V gegen den künstlichen Sternpunkt sind möglich.
-
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind
- – Bestromung der Phasen der Leistungsseite zur Verbraucherfeststellung und Freischaltung entsprechender Phasen
- – Impedanzmessung der lastseitigen ein- oder mehrphasigen Leitungsabgänge und lastabhängige Freischaltung von Phasen
- – Lastseite der Steckdoseneinrichtung ein- wie auch mehrphasig schaltbar
- – Impedanzmessung mit Wechselstrom zur Feststellung ohmscher, kapazitiver oder induktiver Last
- – Messende Stromsensoren in den ein- oder mehrphasigen lastseitigen Leitungsabgängen
- – Induktive Strommessung liefert vorzeichengerechte Aufzeichnung des lastseitigen Netzes
- – Meßtechnische Erfassung ein- oder mehrphasiger Netzschwankungen der belasteten Phasen mit Einleitung von Schalthandlungen
- – Überwachung und Steuerung der Strombedarfe jeder einzelnen netzseitigen Phase
- – Belastung des künstlichen Sternpunkts durch vorzeichengerechte Aufzeichnung der Strangströme
- – Lokale wie ferngesteuerte Schalthandlungen durch elektrischen Ersatz der Schaltstange.
-
Weiterhin werden ein- oder mehrphasige netz- oder verbraucherseitige Schwankungen in den belasteten Phasen meßtechnisch erfaßt, aufgezeichnet, ausgewertet und auch Schalthandlungen – einschließlich Netzfreischaltung – vorgenommen.
-
Allen vorgestellten Container-Steckdosenlösungen gereicht zum Nachteil, daß die dynamische Zustandsanzeige und -verarbeitung – auf Grund der elektromechanischen Schalthandlung – nur unzureichend ausgeprägt ist, sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite der Container-Steckdoseneinrichtung. Alle vorgestellten Veröffentlichungen eignen sich nur bedingt oder garnicht für den spezifischen Einsatz als elektrische Steckvorrichtung bei maritimen Schaltapparaten – insbesondere den Bereich der Energieversorgung von Schiffs-Containern über schaltbare Container-Steckdosen betreffend – mit erweiterter Funktionalität durch den Einsatz des mikrokontrollergesteuerten Halbleiterschalters.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 – eine elektrische Steckvorrichtung bei maritimen Schaltapparaten – insbesondere den Bereich der Energieversorgung von Schiffs-Containern über schaltbare Container-Steckdosen betreffend – mit erweiterter Funktionalität durch den Einsatz des mikrokontrollergesteuerten Halbleiterschalters für möglichst universellen Einsatz zu schaffen, um die obigen Nachteile zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands werden im folgenden näher erläutert.
-
Die elektrische Steckvorrichtung schaltbarer Steckdosen besteht gemäß des Stands der Technik meist aus einem metallischen IP67-dichten Gehäuse mit einer Kabeleinführung für die Energiezuleitung, die auf eine steckeraufnahmeabhängige Anzahl elektromechanischer 2-Zustands-Leistungsschalter parallel eingangsseitig geführt wird. Der Ausgang jedes Leistungsschalters führt je auf eine mehrpolige Steckeraufnahme, die als stromführende Kupplung ausgeführt, die Anschlußstecker der einzelnen elektrischen Container-Anschlüsse aufnimmt. Stecker und Aufnahme orientieren sich an der CEE-Norm für solche Einrichtungen. Der in die Steckeraufnahme einzubringende Anschlußstecker initiiert auch die Freischaltung der Energieversorgung, meistens noch über eine mechanische Dreh-Kupplung oder einen Kipphebel-Mechanismus in Abhängigkeit der Ausführungsform des Leistungsschalters als Dreh- oder Kippschalter. Der Leistungsschalter ist ein Standard-Produkt mit bekannten thermisch-magnetischen Auslösekennlinien und/oder ggf. einer besonderen Abschalt-Charakteristik, meist in einer Leistungsklasse 440 VAC/32 A und einem Kurzschlußausschaltstrom von 10 kA...50 kA.
-
Eine Ausprägungsform der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß der elektromagnetische 2-Zustands-Leistungsschalter durch einen mikrokontrollergesteuerten Halbleiterschalter ersetzt wird. Der Halbleiterschalter besteht aus einer Brücke mehrphasig gegeneinander geschaltet/antiparallel gesteuerter Thyristoren, die wie ein elektrisches Ventil pro Phase in der mehrpoligen Zu- und Ableitung liegen und je ihren Steueranschluß mit dem Mikrokontroller verbunden haben. Im Mikrokontroller hinterlegte Steuer-Software vorausgesetzt und mit notwendiger Sensorik verbunden, lassen sich mit dieser Anordnung bereits oben genannte Standard-Applikationen, wie Ein-/Aus-Schaltfunktion bei Phasen-Nulldurchgang, Phasenanschnittsteuerung, Vollwellensteuerung oder Impulspaketsteuerung, realisieren. Bei Schalten größerer Leistungen sind die Thyristoren durch TRIAC(Triode for Alternating Current)-Bauelemente – zwei Thyristoren antiparallel in einem Bauelement angeordnet – ersetzt. Alternativ können auch IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)-Bauelemente verwendet werden, die einen beliebigen Ein- und Ausschaltzeitpunkt über die Halbwelle gestatten – während der Thyristor in einer Halbwelle gezündet wird und beim Nulldurchgang erlischt – Phasenanschnittsteuerung.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung bildet der Halbleiterschalter eine Möglichkeit verschiedener elektrischer Anlaufmethoden, meist für elektrische Antriebe – insbesondere Kurzschlußläufermotoren, neben dem Anlauf durch direktes Einschalten, dem Stern-Dreieck-Anlauf – wo mit der niedrigen Sternspannung angelassen wird und auf die höhere Dreieckspannung umgeschaltet wird, und dem Wechselstrom-/Frequenzumrichter – wo der anliegende 50 Hz/60 Hz-Wechselstrom in Gleichstrom und der Gleichstrom in 0 Hz...250 Hz frequenten, der Motordrehzahl proportionalen Wechselstrom rückgewandelt wird. Der Halbleiterschalter führt eine geringe Motorspannung beim Anfahren aus und bewirkt neben dem geringen Anlaufstrom auch ein geringes Anlaufmoment, zur Beschleunigung des Motors werden die Spannung und das Drehmoment erhöht. Ebenso kann die Methode des schonenden Anfahrens auch für einen schonenden Auslauf genutzt werden. Sich ergebende Vorteile bei Anwendungen mit Gebläsen, Pumpen, Kompressoren oder Transportbändern sind
- – keine schlupfenden Riemen und reduzierter Lagerverschleiß
- – kein hoher Einschaltstromstoß
- – kein starker Verschleiß der Getriebe
- – keine beschädigte Waren oder Produkte beim Anhalten
- – keine Schläge in pumpenversorgten Leitungen
- – keine Übertragungsspitzen.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Aufbau des Halbleiterschalters aus einer bestückten Steuerplatine für die Zündung der Thyristoren anhand von Strom- und Spannungsreferenzwerten sowie Berechnung von Referenzwerten, wie des Leistungsfaktors, der Wirkleistung, etc., und dem Speichern von Daten für die Trendberechnung, Historienverfolgung, Statistiken, etc. für die Steuerung. Thyristoren sind in Antiparallelschaltung angeschlossene, ein- oder mehrphasig in den Netzstromkreis eingebrachte Halbleiterbauelemente. Sie regeln durch Anhebung oder Absenkung die Spannung beim Anfahren oder Auslaufen, schalten vorzugsweise im Phasennulldurchgang nach Vorgabe des Zündwinkels; während des kontinuierlichen Betriebs sind die Thyristoren voll leitend. Wie oben dargestellt, sind die Thyristoren elektrisch isoliert und über beste Wärmeübergangszahlen mit Kühlrippenkörpern und/oder Gehäusen verbunden; die Kühlrippenkapazität hängt von der Anlaufleistung und dem Betriebsstrom ab. Die Kühlrippenleistung wird durch Lüfter gesteigert.
-
Bei Halbleiterschaltern werden verschiedene Spannungen mit verschiedenen Bezeichnungen gemäß IEC-Norm verwendet
- – die Hauptspannung Ue ist die. Speisespannung des Antriebs sowie die Spannung, die am Hauptschaltkreis der Thyristoren im Halbleiterschalter anliegt, Werte liegen zwischen 200 V...690 V
- – die Speisespannung Us ist die Spannung, die an der Steuerplatine anliegt und mit der die elektronischen Bauteile der bestückten Platine versorgt werden, Werte sind 110 V...120 V bzw. 220 V...240 V
- – die Steuerspannung Uc steuert das Anlauf- und Auslaufkommando des Halbleiterschalters, Werte 24 V...480 V.
-
Die elektrische Dimensionierung des Halbleiterschalters ist applikationsabhängig. Der Nennstrom eines Verbrauchers, der über den Halbleiterschalter fließt, ist erheblich niedriger als der Einschaltstrom. Für die Motor-Auslegung von Halbleiterschaltern wird von dem Strom ausgegangen, der beim Blockieren des Motors bis zur Auslösung durch den Motorschutz fließt, bei optimaler Abführung der Eigenwärme des Halbleiterschalters, durch lagegerechten Einbau, ggf. auch über zusätzliche Kühlkörper, auch ventilatorbelüftet und/oder an die Außenwand von Schaltschränken montiert. Gemäß der
Norm IEC 60 947-4-2 'Halbleiter-Motor-Steuergeräte und -Starter für Wechselspannungen' werden einige Gebrauchskategorien genannt, wie AC-52 'Steuerung der Statoren von Schleifringmotoren' und AC-53 'Steuerung von Kurzschlußläufermotoren', in die der Halbleiterschalter fält.
-
Ein zentraler Mikrokontroller besorgt die Steuerung der gesamten Einrichtung. Nach Wahl der Applikation und der Betriebs-Software werden die Zündimpulse an die ein- oder mehrphasig angeordneten Thyristoren/TRIAC ausgegeben; die Temperatur der Brücke wird vom Mikrokontroller überwacht. Der Mikrokontroller erfaßt die Pull-down(PD)-Meldung um die Halbleiter im Nulldurchgang auszuschalten. Ausgehend von einer 3-Leiter-Anordnung mit Nulleiter und Schutzerde wird dauerhaft eine Fehlerstrom(FI)-Analyse durchgeführt und das Ergebnis dem Mikrokontroller übermittelt, kombiniert mit einer Temperaturüberwachung durch Temperatursensoren. Über 3-phasig angeordnete Stromübertrager werden die Ausgangsströme proportional mittels Hall-Sensoren aufgezeichnet und nach vorgegebenen Parametern ausgewertet und im Mikrokontroller verarbeitet. Auch hier üben Temperatursensoren Schutzfunktionen aus. Betriebszustände werden vom Mikrokontroller über eine LED-Leiste angezeigt.
-
Eine Besonderheit in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt in der Betriebsweise der elektrischen Steckvorrichtung mit Halbleiterschalter und ist durch zwei zusätzliche mehrpolige Relaisschalter gegeben
- – Hauptrelais mit Überlasteinrichtung
- – Beipaß-Relais.
-
Da Halbleiterbauelemente über keine der Vorschrift entsprechende Kriech- und Luftstrecke verfügen, muß in dem Netzstromkreis ein Hauptschalter vorgesehen werden; vorzugsweise wird diese Maßnahme mit einer thermischen und/oder magnetischen Überlastabschaltung verbunden. Eine weitere vorteilhafte Ausprägung ergibt sich durch die Aktivierung des Hauptrelais in Verbindung mit einer automatisierten Schaltung durch Stecker und Steckeraufnahme der elektrischen Steckvorrichtung durch z. B. permanentmagnetische Mittel – wie einen Reed-Kontakt, einen Hall-Sensor oder eine Feldplatte, als Netzfreischaltung. Die Überwachung erfolgt über den Mikrokontroller.
-
Wird der Halbleiterschalter in vorteilhafter Weise nur für den Einsatz des schonenden Anfahrens und Auslaufens genutzt, wird der Netzstromkreis im Dauerbetriebsfall über ein Beipaß-Relais geführt; die überwachenden und steuernden Funktionen übernimmt der Mikrokontroller. Die Auslegung der Thyristor-/TRIAC-/IGBT-Brückenschaltung wird auf eine geringere Leistung als die Motor-Nennleistung dimensioniert, da der Halbleiterschalter nur kurzzeitig während des Anfahrens und Auslaufens – also nicht permanent – in Betrieb ist. Der Halbleiterschalter mit seinen steuerbaren Ventil-Eigenschaften – entgegen einem 2-Zustands-Relaisschalter – wird nur für den Ein- und Ausschaltvorgang genutzt. Die Halbleiterbrücke wird thermisch überwacht; Ziel ist es – schon alleine wegen des angestrebten Bauvolumens – auf den Halbleiter-Kühlkörper in Gänze oder teilweise zu verzichten. Die Rampenzeit für das Anfahren verschiedener Applikationen liegt bei max. 10 s und für den Auslauf zwischen 0 s...20 s, bei einer applikationsabhängigen Anfangsspannung von 30%...60% und einer eingestellten Nennstrom-Begrenzung von 2,5 × le...5 x le. Da sowohl die Netzströme als auch die Temperaturen jederzeit überwacht werden, ist ein Ein-/Um-/Ausschalten zwischen den beiden Betriebszuständen Halbleiterschalter- und Relaisbetrieb stets möglich.
-
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand der als Anlage beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen weiter verdeutlicht. Es zeigen
-
1 Funktionsschaltbild einer 5-poligen elektrischen Steckvorrichtung
-
2 Funktionsschaltbild einer 4-poligen elektrischen Steckvorrichtung.
-
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Die Beschreibung der erfindungsgemäßen Einrichtung wird fortgesetzt anhand der Erläuterung der Figuren.
-
Wie aus 1 ersichtlich, besteht die 5-polige elektrische Steckverbindung aus einem Netzstromkreis 10, einem Halbleiterschalter 20, einem Mikrokontroller 30, zwei Relaisgruppen 50 und 60, einer Stromversorgung 70, einer Power-down(PD)-Erfassung 80, einer Fehlerstrom(FI)-Analyse 90, einer 3-Phasen-Strommessung 100, einer Status-LED-Anzeige 110 sowie weiterer Optionen 200...270.
-
Der 5-polige Netzstromkreis 10 besteht aus einer Netzleitung 11, hat einen Netzeingang 12 sowie einen Netzausgang 13. An der Stelle des Netzabgriffs 14 geht der Netzstromkreis über den 3-poligen Kontaktsatz 52 auf den Halbleiterschalter 20 über.
-
Der Halbleiterschalter 20 ist 3-phasig ausgelegt und mit drei mal zwei Thyristoren 23 in antiparalleler Schaltung bestückt; im Falle größerer Leistungen sind je zwei antiparallele Thyristoren durch in Summe drei TRIAC-Bauelemente ersetzt. Sollen die Phasen nicht nur angeschnitten sondern auch abgeschnitten werden, kommen elektronische IGBT-Steuerbausteine zum Einsatz. Die Halbleiterbauelemente sind üblicherweise elektrisch isoliert und mit gutem Wärmübergang auf einem Kühlrippenkörper 21 montiert und bilden eine Halbleiterbrücke 22. Die Temperatur des gut wärmeleitenden Kühlkörpers wird mittels des Temperaturfühlers T 24 über den Temperatur-Eingang 37 des Kontrollers 30 überwacht. Der Halbleiterschalter wird über den 3-poligen Kontaktsatz 52 der Kleinspannungsrelais 51 der Relaisgruppe 50 an den Netzstromkreis geschaltet. Die Zündung der Halbleiterbauelemente erfolgt programmgesteuert über den Zündimpulsausgang 33 und die Steuerung der Relaisgruppe über den Relaisausgang 1 34 des Mikrokontrollers 30 mittels Versorgungsspannung 31, da die Relaisgruppe masseversorgt ist.
-
Der Mikrokontroller 30 bildet die zentrale Steuerung der elektrischen Steckvorrichtung; er hat eine programmierbare Logik mit Speicherbausteinen mit verschiedenen Betriebsarten-Steuerprogrammen, wie Ein-/Aus-Schaltfunktion bei Phasen-Nulldurchgang, Phasenanschnittsteuerung, Vollwellensteuerung oder Impulspaketsteuerung, inne. Sollen nur die Anlauf- und die Auslaufphasen halbleitergesteuert werden, übernimmt der Mikrokontroller die Koordination zwischen der Ansteuerung der Halbleiterbrücke 33, 22 und den Relais 61 der Relaisgruppe 60, die über ihren 3-poligen Kontaktsatz 62 den Nennstrom dauerhaft führt. Die Relaisgruppe liegt an der Versorgungsspannung 31 und wird über den Relaisausgang 2 35 über Massesignal 32 angesteuert. Statusmeldungen des Mikrokontrollers werden über den Ausgang 39 in der Status-LED-Anzeige 110 zur Anzeige gebracht.
-
Die Stromversorgung 70 besteht aus einem AC/DC-Netzteil 71 für die Spannungsversorgung für die bestückte Leiterplatte mit dem Versorgungsausgang 31 und dem Masseanschluß 32. Die Spannungsversorgung wird über den 2-poligen Netzanschluß 72 aktiviert, in dem das Niederspannungsrelais 73 über seinen 1-poligen Kontaktsatz 74 schaltet. Es wird angenommen, daß das AC/DC-Netzteil einen Kondensatorpuffer für eine Zeit von ca. 50 ms besitzt.
-
Mittels eines Optokopplers 81 wird in der Power-down(PD)-Erfassung 80 ein Power-down(PD)-Signal 82 erzeugt und im Mikrokontroller über den Power-down(PD)-Eingang 36 ausgewertet.
-
Aus den beiden Leitern Null-Leiter N 91 und Schutzleiter PE 92 des Netzstromkreises 10 werden Fehlerstrom(FI)-Analysen 90 durchgeführt, in dem die Leiter über eine (Primär-)Wicklung eines Übertragers 94 geführt werden und auf der Sekundärseite proportionale Strom-/Spannungswerte U/I über eine vergleichende Magnetfeldmessung M 93, z. B. mittels Hall-Sonden, ausgewertet werden. Die Resultate der Magnetfeldmessung werden über den Magnetfeld-Eingang 38 dem Mikrokontroller zur Auswertung zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus werden Temperaturwerte T an den Übertragern 94 gemessen und ebenfalls dem Mikrokontroller über den Temperatur-Eingang 37 zwecks Erstellung eines Temperaturprofils zugeleitet.
-
Nach der gleichen Magnetfeld-Methode M, T 100 werden die Phasenströme L1, L2, L3 bzw. U, V, W 101 des Netzstromkreises 10 überwacht U/I, so daß zu jedem Zeitpunkt die Phasenlast in(t), 1 <= n <= 3, bekannt ist, d. h. die Ströme nach Amplitude und Zeit werden aufgezeichnet und ausgewertet, es werden vergleichende Obergrenzen festgelegt, die im Fortgang der Messungen nach oben oder unten korrigierbar sind. Bei alarmierenden Überschreitungen werden Schalthandlungen vorgenommen und Statusmeldungen abgesetzt.
-
Optional stehen verschiedene Übertragungsmedien zur Verfügung, wie die Netzleitung 200 über Mikrokontroller-Ausgang 40, Funkübertragung WLAN 210, 211 über Mikrokontroller-Ausgang 41 oder Funkübertragung GSM 220, 211 über Mikrokontroller-Ausgang 42, um drahtgebunden oder drahtlos Meldungen an andere Orte abzusetzen.
-
Weitere Optionen können sein (nicht dargestellt)
- – Leistungs-Verbrauchsermittlung mit Gebührenmeß-Chip 230
- – Über-/Unterspannungs-Phasenmessung mit Meldeausgang 240
- – Phasenwächter (Vertauschung von Phasen) mit Fehlerstatus-Anzeige 250
- – Drehfeld-Richtungsumkehr durch Wendeschütz-Schaltung 260
- – Lastseitige ohmsche, kapazitive, induktive Leerlauf-Impedanzmessung 270
- – Betriebsarten-Potentiometer-Kodierschalter 280.
-
Wie aus 2 ersichtlich, besteht die 4-polige elektrische Steckverbindung aus einem Netzstromkreis 120, einem Halbleiterschalter 20, einem Mikrokontroller 30, zwei Relaisgruppen 50 und 60, einer Stromversorgung 70, einer Fehlerstrom(FI)-Analyse 90, einer 3-Phasen-Strommessung 100, einer Status-LED-Anzeige 110, einem 3-Phasen-Transformator 130, einem Analog/Digital(A/D)-Wandler 140, einem Schalter 150 sowie weiterer Optionen 200...280.
-
Bestimmte 3-phasige Netzsysteme L1, L2, L3 120 verfügen über keinen Null-Leiter, der Null-Leiter wird nicht mitgeführt. Der 4-polige Netzstromkreis besteht aus einer Netzleitung 121, hat einen Netzeingang 122 sowie einen Netzausgang 123. An der Stelle des Netzabgriffs 124 geht der Netzstromkreis über den 3-poligen Kontaktsatz 52 auf den Halbleiterschalter 20 über.
-
Im folgenden werden nur die Abweichungen der 4-poligen elektrischen Steckvorrichtung 2 zur 5-poligen elektrischen Steckvorrichtung 1 behandelt; die wesentlichen Steuerungsteile mit zugehörigen Algorithmen, wie Halbleiterschalter 20, Mikrokontroller 30 und Relaisgruppen 50, 60, bleiben erhalten. Ebenso die Fehlerstrom(FI)-Analyse 90 sowie die mehrphasige Strommessung 100 der Phasen L1, L2, L3 bzw. U, V, W 101. Die Stromversorgung 70 für die bestückte Leiterplatte wird aus drei im Stern geschalteten, abgesicherten 132 1-Phasen-Übertragern 131 (oder einem 3-Phasen-Übertrager) generiert, deren Spannungsausgang 133 dem AC/DC-Netzteil sowie einem A/D-Wandler 140 zugeführt wird. Es wird angenommen, daß das AC/DC-Netzteil 71 einen Kondensatorpuffer für eine Zeit von ca. 50 ms besitzt. Das A/D-Zustands-Signal 141 des Wandlers wir als Power Failure(PFail)-Eingang 43 im Mikroprozessor ausgewertet und als Statusmeldung behandelt.
-
Eine Besonderheit stellt der Schalter 150 mit seinem Ausgangs-/Schaltzustands-Signal 151 dar, welches als Einganssignal 44 vom Mikrokontroller ausgewertet wird. Der Schalter ist in die Steckeraufnahme 123 integriert, d. h. beim mechanischen Stecken des Steckers und Verriegeln in der Aufnahme durch Drehbewegung ändert ein Reed-Kontakt in der Aufnahme seinen Zustand und gibt die Änderung als Meldung an den im Stand-by-Betrieb gefahrenen Mikrokontroller zum Zwecke des Beginns des Einschaltvorgangs. Statt des Reed-Kontakts ist auch der Einsatz einer Hall-Sonde oder einer Feldplatte möglich, wenn der Drehteller der Steckeraufnahme einen kleinen Permanentmagneten aufnimmt. Auch andere Kontaktierungen können vorgesehen werden.
-
Die in 1 dargestellten Optionen von Fernwirken 200...220, über Leistungs-Verbrauchsermittlung 230, Über-/Unterspannungs-Phasenmessung 240, Phasenüberwachung 250, Änderung der Drehfeldrichtung 260 und lastseitige Leerlauf-Impedanzmessung 270 gelten auch hier uneingeschränkt.
-
Durch die Ergänzung der Elektromechanik in der elektrischen Steckvorrichtung durch den Halbleiterschalter und den Mikrokontroller eröffnen sich eine Vielzahl von zusätzlichen technischen Funktionen, die vorteilhaft ausgewertet, das Produkt in der Handhabung sicherer und den Umgang mit dem Produkt vielseitiger gestalten. Die erweiterten Steuerungs- und Auswertemöglichkeiten reifen erst durch den Einsatz der Mikroelektronik. Die große Anzahl an meßtechnischen Untersuchungen während des laufenden Betriebs und deren Auswertung können von dem lokalen Betriebspersonal nicht erbracht werden, daher ist auch der Einsatz der Fernwirktechnik sinnvoll.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche; die zahlreichen Möglichkeiten und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl der Schutzrechtsansprüche wider.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Steckvorrichtung, elektrisch, 5-polig
- 2
- Steckvorrichtung, elektrisch, 4-polig
- 10
- Netzstromkreis, 5-polig
- 11
- Netzleitung
- 12
- Netzeingang
- 13
- Netzausgang
- 14
- Netzabgang, -griff, -zweig
- 20
- Halbleiterschalter, 3-phasig
- 21
- Kühlrippenkörper
- 22
- Halbleiterbrücke
- 23
- Halbleiterbauelement
- 24
- Temperaturfühler
- 30
- Mikrokontroller
- 31
- Versorgungsspannung
- 32
- Masseanschluß
- 33
- Zündimpulsausgang
- 34
- Relaisausgang 1
- 35
- Relaisausgang 2
- 36
- Power-down(PD)-Eingang
- 37
- Temperatur-Eingang
- 38
- Magnetfeld-Eingang
- 39
- Status-Anzeige
- 40
- Modem Netzübertragung
- 41
- Modem WLAN (Wireless Local Area Network)
- 42
- Modem GSM (Global System for Mobile Communication)
- 43
- Power Failure(PFail)-Eingang
- 44
- Schalter-Eingang
- 50
- Relaisgruppe
- 51
- Relais, Kleinspannung, 12 VDC/24 VDC
- 52
- Kontaktsatz, 3-polig
- 60
- Relaisgruppe
- 61
- Relais, Kleinspannung, 12 VDC/24 VDC
- 62
- Kontaktsatz, 3-polig
- 70
- Stromversorgung
- 71
- AC/DC-Netzteil, 230 VAC/12 VDC
- 72
- Netzanschluß, 2-polig, 230 VAC
- 73
- Relais, Niederspannung, 230 VAC
- 74
- Kontaktsatz, 1-polig
- 80
- Power-down(PD)-Erfassung
- 81
- Optokoppler
- 82
- Power-down(PD)-Signal
- 90
- Fehlerstrom(FI)-Analyse
- 91
- Null-Leiteranschluß
- 92
- Schutzleiter-Anschluß
- 93
- Magnetfeld-Sensor
- 94
- Übertrager
- 100
- Strommessung, 3-phasig
- 101
- Phase L1, L2, L3
- 110
- Status-LED-Anzeige
- 120
- Netzstromkreis, 4-polig
- 121
- Netzleitung
- 122
- Netzeingang
- 123
- Netzausgang
- 124
- Netzabgang, -griff, -zweig
- 130
- Transformator, 3-phasig
- 131
- Übertrager, 1-phasig
- 132
- Sicherung
- 133
- Spannungs-Ausgang
- 140
- Analog/Digital(A/D)-Wandler
- 141
- A/D-Zustands-Signal
- 150
- Schalter
- 151
- Schaltzustands-Signal
- 200
- Netz-Modem
- 210
- WLAN-Modem
- 211
- Antenne
- 220
- GSM-Modem
- 230
- Leistungs-Verbrauchsermittlung, Gebührenmeß-Chip (nicht dargestellt)
- 240
- Über-/Unterspannungs-Meldeausgang (nicht dargestellt)
- 250
- Fehlerstatus-Meldeausgang, z. B. Phasenwächter (nicht dargestellt)
- 260
- Wendeschütz-Schaltung (nicht dargestellt)
- 270
- Lastseitige Leerlauf-Impedanzmessung (nicht dargestellt)
- 280
- Betriebsarten-Potentiometer-Kodierschalter (nicht dargestellt)
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202004010818 U [0013]
- WO 2006005485 [0013]
- DE 19601967 U [0016]
- DE 19706358 U [0016]
- DE 20210357 U [0016]
- DE 20218445 U [0016]
- DE 20317764 U [0016]
- DE 29618378 U [0016]
- DE 29807529 U [0016]
- DE 202006015632 [0016]
- DE 202007013421 [0016, 0018]
- DE 202008011268 [0016]
- DE 202008032562 [0016]
- DE 102007010193 A [0017]
- DE 102008028227 [0017]
- DE 102007012427 [0019]
- DE 102007014726 A [0028]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Norm IEC 60 947-4-2 'Halbleiter-Motor-Steuergeräte und -Starter für Wechselspannungen' [0040]
