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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Geräts, wobei es sich bei dem elektrischen Gerät insbesondere um einen Leistungsschalter handeln kann. Die Erfindung betrifft auch einen Leistungsschalter.
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Leistungsschalter weisen Schaltkontakteinrichtungen auf, und zwar zum Unterbrechen jeweils einer in dem Leistungsschalter zwei Leitungsanschlüsse für eine (Phasen-)Leitung verbindenden Leitung. Bei drei Phasenleitungen gibt es auch drei Schaltkontakteinrichtungen. Es gibt in den Leistungsschaltern eine Auslöseeinrichtung, die mechanisch auf die Schaltkontakteinrichtungen einwirken kann. Vorliegend soll die Auslöseeinrichtung digital arbeiten, umfasst also eine Datenverarbeitungseinrichtung, der Eingangssignale zugeführt werden. Die Eingangssignale sind Messeinrichtungen zum Messen der Stromstärke eines durch die Leitungen zwischen den Leitungsanschlüssen fließenden Stroms. Zu diesem Zwecke sind in den Leistungsschaltern für jede Phasenleitung bzw. die zugehörige innere Leitung in dem Leistungsschalter Stromwandler vorgesehen, und zwar in Form von Rogowskiwandlern, Spulen ohne Eisenkern, typischerweise mit einem Kunststoffkern. Die von solchen Rogowskiwandlern erzeugten Eingangssignale werden der Auslöseeinrichtung zugeführt, und diese ist ausgelegt, die Schaltkontakteinrichtungen in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen anzusteuern.
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Neben den drei Phasenleitern (oder manchmal nur einem) gibt es immer auch noch einen Neutralleiter (Nulleiter). Regelmäßig ist für diesen kein gesonderter Stromwandler vorgesehen.
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Die Erfindung findet besondere Anwendung dann, wenn ein Leistungsschalter mit einer oder drei Schaltkontakteinrichtungen und jeweils dazu einem Stromwandler ausgestattet ist, für den Neutralleiter (Nulleiter) aber keine Schaltkontakteinrichtung aufweist und auch keinen Stromwandler. Es soll aber die Möglichkeit zur Nachrüstbarkeit gegeben sein. In diesem Fall umfasst der Leistungsschalter einen externen Hauptanschluss, an den ein Stromwandler, der nicht zum Leistungsschalter zugehörig ist, anschließbar ist; gedacht ist hierbei an einen Stromwandler, insbesondere einen Rogowskiwandler, der den Neutralleiter umgibt. Auch die von diesem Stromwandler, der extern angeschlossen ist, herrührenden Eingangssignale sollen der Auslöseeinrichtung zugeführt werden, aber anstelle eines gesonderten Schaltkontakts für den Neutralleiter werden die Schaltkontakteinrichtungen für die Phasenleitungen angesteuert. Man kann somit einen so genannten dreipoligen Leistungsschalter, also einen Leistungsschalter ohne Überwachung des Neutralleiters, zu einem vierpoligen Leistungsschalter nachrüsten.
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Nun ist es aber so, dass das Kennzeichen der Nachrüstbarkeit darin besteht, dass nicht immer ein externer Rogowskiwandler angeschlossen wird.
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Anders als bei Stromwandlern mit Eisenkern müssen die Messeingänge des Leistungsschalters für den Fall des Anschlusses des Rogowskiwandlers hochohmig sein. Auf diese Weise sind die Messeingänge, also die Sensoranschlüsse der Strommessvorrichtung, jedoch sehr anfällig für das Einkoppeln von Störsignalen, insbesondere, wenn gerade kein Rogowskiwandler angeschlossen ist. In diesem Falle würde der Messeingang mit den beiden Sensoranschlüssen offen betrieben werden, und insbesondere im Falle der so genannten Erdschlusserkennung könnten mögliche Störsignale zu einer Fehlauslösung des Leistungsschalters führen, also zum Öffnen der Schaltkontakte, wenn dies gar nicht angezeigt ist.
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Es besteht somit ein Problem darin, dass ein Leistungsschalter, allgemein ein elektrisches Gerät, für den Anschluss eines weiteren Geräts an seine Sensoranschlüsse eine hohe Innenimpedanz aufweisen muss, diese Innenimpedanz aber störend ist, wenn das andere Gerät nicht angeschlossen wird.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Leistungsschalter der genannten Art dafür zu sorgen, dass das genannte Problem nicht besteht bzw. allgemein ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Geräts bereitzustellen, durch das die genannte Problematik gelöst wird, dass in unterschiedlichen Situationen verschiedentliche Innenimpedanzen des elektrischen Geräts erforderlich sind.
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Die Aufgabe wird in einem Aspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst und in einem anderen Aspekt durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das elektrische Gerät zwei Sensoranschlüsse (bzw. allgemein Hauptanschlüsse) und zwei Hilfsanschlüsse auf. Ein Verbindungselement wird an die Hilfsanschlüsse angeschlossen, um diese von außen kurzzuschließen. Daraufhin wird in dem Gerät bewirkt, dass sich die Innenimpedanz, die das Gerät zwischen den Sensoranschlüssen (bzw. den Hauptanschlüssen) bereitstellt, ändert.
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Somit wird das Konzept der Hilfsanschlüsse dazu verwendet, die Innenimpedanz zwischen den Sensoranschlüssen variabel zu gestalten. Vorliegend müssen aber die Hilfsanschlüsse nicht mit einem Steuersignal beaufschlagt werden, sondern es genügt, wenn sie einfach von außen kurzgeschlossen werden. Diese Maßnahme ist sehr leicht verwirklichbar. Am einfachsten ist sie dadurch realisierbar, dass das Verbindungselement ein Stecker einer Einrichtung ist, wobei der Stecker gleichzeitig an die Sensoranschlüsse und die Hilfsanschlüsse angeschlossen wird, insbesondere in entsprechende Buchsen eingesteckt wird. Auf diese Weise ist durch geeignete Wahl des Steckers an der Einrichtung, die im Beispielsfall ein Rogowskiwandler ist, gewährleistet, dass ohne weiteres Zutun einer Bedienperson durch einfaches Anschließen des Steckers an die Sensoranschlüsse gleichzeitig die Hilfsanschlüsse kurzgeschlossen werden, damit sich die Innenimpedanz bezüglich der Hauptanschlüsse ändert.
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Das Ändern der Innenimpedanz soll sich bevorzugt durch das Anschließen des Verbindungselements an die Hilfsanschlüsse erhöhen. In diesem Falle besteht die variable Innenimpedanz darin, dass die Innenimpedanz bei offenen Anschlüssen (Sensoranschlüssen und Hilfsanschlüssen) eher niedrig ist, um Störsignale stärker zu bedämpfen, und dass sie für die anzuschließende Einrichtung eher hoch ist.
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Noch einfacher ist es, wenn in einem Grundzustand das Gerät die Sensoranschlüsse kurzschließt. Bei Anschließen des Verbindungselements an die Hilfsanschlüsse kann der Kurzschluss einfach aufgehoben werden. Ein Kurzschluss ist rein mechanisch oder auch schaltungstechnisch leicht zu realisieren.
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Es ist möglich, einen Mikro-Switch vorzusehen, der diese Maßnahme bewirkt (Stecker gesteckt, so ist der Mikro-Switch hochohmig, also offen. Ist kein Stecker gesteckt, so ist der Mikro-Switch geschlossen, also niederohmig). Genauso ist auch ein Relaiskontakt einsetzbar, welcher über die Hilfsanschlüsse gesteuert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch wird die Veränderung der Innenimpedanz durch eine auf einer Leiterplatte bereitgestellte Schaltung bewirkt; eine solche Leiterplatte gibt es insbesondere in Leistungsschaltern ohnehin, sodass lediglich ein kleiner Platz von etwa 0,5 cm2 Fläche auf der Leiterplatte bereitgestellt werden muss, um entsprechende Schaltungselemente vorzusehen.
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Somit erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens durch das Kurzschließen der Hilfsanschlüsse eine Änderung eines Potentials, welches an einem Eingang eines Komparators anliegt. Potentiale lassen sich durch Kurzschließen leicht ändern, nämlich das an einem Hilfsanschluss anliegende Potential in Ausgleich mit einem an dem anderen Hilfsanschluss anliegenden Potential bringen. Ein Komparator erlaubt es insbesondere, ein Umschalten zu realisieren. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Ausgang des Komparators mit einer (bzw. der) Steuerelektrode bzw. einem (bzw. dem) Gate zumindest eines Transistors gekoppelt ist. Transistoren lassen sich besonders schnell schalten, insbesondere auch in Verbindung mit einem Komparator.
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Der erfindungsgemäße Leistungsschalter weist zumindest eine Schaltkontakteinrichtung auf zum Unterbrechen jeweils einer in dem Leistungsschalter zwei Leitungsanschlüsse für eine (Phasen-)Leitung verbindenden Innenleitung, und er weist ferner eine Auslöseeinrichtung auf, die ausgelegt ist, ihr zugeführte Eingangssignale von an den Sensoranschlüssen anschließbaren Stromwandlern auszuwerten und in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen die Schaltkontakteinrichtung anzusteuern, eben um das genannte Unterbrechen zu bewirken. Der Leistungsschalter weist ein Paar Hilfsanschlüsse zu zumindest einem zugehörigen Paar von Sensoranschlüssen auf, und der Leistungsschalter weist ferner eine Schalteinrichtung auf, die in einem Grundzustand bei offenen Hilfsanschlüssen (wenn also nichts an den Hilfsanschlüssen angeschlossen ist) das zugehörige Paar von Sensoranschlüssen intern, also im Inneren des Leistungsschalters, kurzschließt, aber bei externem Kurzschluss der Hilfsanschlüsse den internen Kurzschluss für die zugehörigen Sensoranschlüsse aufhebt. Durch die Schalteinrichtung wird somit eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert, die für einen Leistungsschalter besonders geeignet ist. Dies gilt in verstärktem Maße dann, wenn der Leistungsschalter drei Schaltkontakteinrichtungen für je eine Phasenleitung aufweist, zugehörige Leitungsanschlüsse und Hauptanschlüsse für diese Phasenleitungen, an denen jeweils ein Stromwandler angeschlossen ist, der zum Leistungsschalter dazugehörig ist. Ferner gibt es zwei zusätzliche Sensoranschlüsse zum Anschließen eines einer Neutralleitung zugeordneten Stromwandlers, der nicht zum Leistungsschalter gehört. Den zusätzlichen Sensoranschlüssen ist dann ein Paar Hilfsanschlüsse mit der Schalteinrichtung zugeordnet. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass der der Neutralleitung zugeordnete Stromwandler nachträglich angeschlossen werden kann, aber nicht muss, ohne dass es Probleme mit der Einkopplung von Störsignalen geben würde.
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Die bevorzugten Ausführungsformen, wie das erfindungsgemäße Verfahren bei dem Leistungsschalter realisierbar ist, wurden bereits zu diesem Verfahren genannt. Auch hier gilt, dass die Schalteinrichtung bevorzugt zwei unterschiedliche elektrische Potentiale bereitstellt, die jeweils über einen Widerstand zu einem der Hilfsanschlüsse führen, wobei bei einem der Potentiale auch zusätzlich ein Kondensator vorgesehen sein kann. Einer der Hilfsanschlüsse ist mit dem Eingang eines Komparators gekoppelt. Bei Kurzschließen der beiden Hilfsanschlüsse konkurrieren die beiden elektrischen Potentiale miteinander, sodass über die Widerstände eine Spannungsteilung erfolgt, bei einem zusätzlichen Kondensator wird dieser geladen, und es stellt sich eine entsprechende Spannung an dem mit dem Komparator gekoppelten Hilfsanschluss ein, und damit auch am Eingang des Komparators.
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Bevorzugt ist auch hier der Ausgang des Komparators mit einer Steuerelektrode bzw. einem Gate von zumindest einem Transistor, bevorzugt von zwei in Reihe geschalteten Transistoren, gekoppelt.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der
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1 die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente eines Leistungsschalters veranschaulicht;
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2 eine zu dem Leistungsschalter aus 1 zugehörige Schaltung zeigt, die im Rahmen der Erfindung bereitgestellt wird; und
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3 einen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Stecker in schematischer Form veranschaulicht.
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Ein Leistungsschalter weist so genannte Schaltkontakteinheiten auf, die die eigentliche Aufgabe des Leistungsschalters bewerkstelligen, nämlich das Unterbrechen einer leitenden Verbindung. Eine entsprechende Leitung wird hierzu durch den Leistungsschalter geführt, d.h. ein Leitungsanschluss ist eingangsseitig vorgesehen und ein Leitungsanschluss ist ausgangsseitig vorgesehen, und eine Innenleitung in dem Leistungsschalter verbindet die Leitungsanschlüsse. Eine solche Innenleitung 10 ist vorliegend beispielhaft in 1 gezeigt, mit symbolisch gezeigten Leitungsanschlüssen 12a und 12b, an die ein Leiter L1 extern angeschlossen wird. Die Innenleitung 10 weist den eigentlichen Schaltkontakt auf, der mit 14 bezeichnet ist und beispielsweise durch einen elektromagnetischen Auslöser (Maglatch) 16 betätigt wird. Der elektromagnetische Auslöser 16 wird von einer Auslöseeinheit 18 angesteuert, die Messsignale empfängt und in Abhängigkeit von diesen Messsignalen festlegt, wann der Schaltkontakt 14 zu öffnen ist. Ein dreipoliger Leistungsschalter weist drei derartige Anordnungen mit Innenleitung 10, Leitungsanschlüssen 12a, 12b und Schaltkontakt 14 sowie zugehörigem elektromagnetischen Auslöser 16 auf, wobei vorliegend aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine einzige dargestellt ist.
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In dem Leistungsschalter ist ein so genannter Rogowskiwandler 20 vorgesehen, eine Luftspule bzw. eine über ein Kunststoffelement gewickelte Spule, die den Innenleiter 10 zwischen den Leitungsanschlüssen 12a und 12b umgibt. In den Rogowskiwandler 20 wird Strom induziert, und die Anschlüsse L1-1R und L1-2R des Rogowskiwandlers 20 führen zu einer Auswerteeinrichtung 22 (siehe dieselben Anschlüsse L1-1R und L1-2R links oben in 1), wo sie aufbereitet werden, bevor sie der Auslöseeinrichtung 18 zugeführt werden.
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Entsprechende Rogowskiwandler gibt es auch zu den anderen Innenleitungen, und entsprechend gibt es auch Auswerteeinrichtungen 22’ und 22’’ zu selbigen.
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Vorliegend soll es sich bei dem Leistungsschalter um einen dreipoligen Leistungsschalter handeln, also mit drei Schalteinrichtungen für jeweils die einzelnen Phasenleitungen L1, L2 und L3. Der Neutralleiter N wird hingegen durch den Leistungsschalter durchgeführt, ohne mithilfe eines Schaltkontakts unterbrechbar zu sein. Es kann nun wünschenswert sein, auch beim Neutralleiter einen Rogowskiwandler vorzusehen, dessen Signale aufbereiten zu lassen und entsprechend eine Auslösung der Schaltkontakteinrichtungen 14, 16 an einem der Phasenleiter oder mehreren derselben vorzusehen. Aus diesem Grunde sieht man beim Leistungsschalter eine Nachrüstbarkeit dahingehend vor, dass er ebenfalls über eine Auswerteeinrichtung 24 verfügt, an der über Anschlüsse N-1R und N-2R ein Rogowskiwandler anschließbar ist, der außerhalb des Leistungsschalters um den Neutralleiter geführt ist.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Problematik, dass für den Rogowskiwandler, der anzuschließen ist, die Auswerteeinrichtung 24 hochohmig sein muss, also eine für den Rogowskiwandler hohe Innenimpedanz aufweisen muss. Andererseits soll auch der Situation Rechnung getragen werden, dass an den Anschlüssen N-1R und N-2R kein Rogowskiwandler angeschlossen ist und die Anschlüsse offen bleiben; dann sollen nicht Störsignale einkoppeln können und gegebenenfalls das Auslösen des Leistungsschalters, also das Öffnen eines Schaltkontakts 14 einer Schaltkontakteinrichtung 14, 16 bewirken.
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Aus diesem Grunde ist im Inneren der Auswerteeinrichtung 24 ein Paar von Abgriffen INP und INN vorgesehen, an das die in 2 gezeigte Schaltung angeschlossen ist. Wie im Einzelnen nachfolgend erörtert wird, ermöglicht es diese Schaltung, die Anschlüsse INP und INN kurzzuschließen, um für eine kleine Impedanz zu sorgen; der Kurzschluss wird aufgehoben, sobald ein bestimmter, nachfolgend anhand von 3 erläuterter Stecker 26 in entsprechende Anschlussbuchsen eingesteckt wird.
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Zu einem Rogowskiwandler, mithilfe dessen der Leistungsschalter nachgerüstet werden kann, gehören bei dem Stecker 26 die Anschlüsse N-1R und N-2R.
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Die Anschlüsse N-1R und N-2R werden mit dem gleichnamigen Gegenstück gemäß 1 verbunden. Die Anschlüsse Ext_N_Pin und Ext_N_Pout sind mit den gleichnamigen Anschlüssen der Schaltung aus 2 zu verbinden, wozu die Buchsen am Stecker 26 passend zu den entsprechenden Buchsen am Leistungsschalter ausgebildet sein müssen. Im Stecker 26 sind die Anschlüsse Ext_N_Pin und Ext_N_Pout durch einen Innenleiter 28 im Stecker 26 extern kurzgeschlossen.
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Vorliegend bewirkt der externe Kurzschluss an den Anschlüssen Ext_N_Pin und Ext_N_Pout, dass der interne Kurzschluss zwischen den Anschlüssen INP und INN aufgehoben wird.
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Zu dem internen Kurzschluss kommt es wie folgt: Die Schaltung gemäß 2 beinhaltet, dass ein Potential von 3,3 V einerseits bereitgestellt ist, das über einen Widerstand R1 mit dem Anschluss Ext_N_Pout gekoppelt ist. Ferner wird ein Potential des gleichen Betrags, aber umgekehrten Vorzeichens, also von –3,3 V, bereitgestellt, das über einen Widerstand R2 und einen parallel dazu geschalteten Kondensator C1 mit dem Anschluss Ext_N_Pin gekoppelt ist. Der Anschluss Ext_N_Pin ist ferner zugleich mit dem positiven Eingang E eines Komparators K gekoppelt, der mit seinem anderen Anschluss auf Masse liegt („GND“). Der Ausgang A des Komparators ist über einen Widerstand R3 mit Masse gekoppelt. Wesentlich ist aber, dass er ferner über einen Widerstand R4 mit dem Gate eines ersten Transistors T1 (p-Kanal-MOSFET) gekoppelt ist, dessen Source S mit dem Abgriff INN verbunden ist, und dass gleichzeitig der Ausgang A des Komparators K über einen Widerstand R5 mit dem Gate eines Transistors T2 (p-Kanal-MOSFET) gekoppelt ist, dessen Source S mit dem Abgriff INP verbunden ist.
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Im Grundzustand, bei dem kein Stecker nach Art des Steckers 26 an den Anschlüssen Ext_N_Pin und Ext_N_Pout angeschlossen ist, liegt im Wesentlichen das Potential von –3,3 V am Eingang E des Komparators K an. Die beiden p-Kanal-MOSFETs T1 und T2 werden dann niederohmig geschaltet, d.h. der gewünschte Kurzschluss zwischen den Abgriffen INN und INP liegt vor. Bei Vorliegen dieses Kurzschlusses liegt auch zwischen den Anschlüssen N-1R und N-2R eine nur sehr geringe Impedanz an, die durch Elemente Z1, Z2 und Widerstände R6, R7 bestimmt ist.
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Wird nun der Stecker 26 eingesteckt, sodass die Anschlüsse Ext_N_Pin und Ext_N_Pout kurzgeschlossen werden, so bewirken die Widerstände R1 und R2 eine Spannungsteilung, und bei geeigneter Wahl der Widerstandswerte dieser Widerstände (z.B. 5,6 kΩ für R1 und 20kΩ für R2) und bei geeigneter Wahl der Kapazität des Kondensators C1 von z.B. 10 nF liegt am Eingang E im Wesentlichen das Potential von 3,3 V an, was dazu führt, dass die Transistoren T1 und T2 sperren und der Kurzschluss aufgehoben wird.
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Die Transistoren bewirken einen so hohen Widerstand, der zusammen mit weiteren Elementen R8, R9, C4, R10, R11 und auch C5, C6, R12, R13 dazu führt, dass die Eingangsimpedanz, die zwischen den Anschlüssen N-1R und N-2R anliegt, für einen Rogowskiwandler ausreichend hoch ist.
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Durch die Erfindung wird somit das Konzept verwirklicht, zwei Anschlüsse Ext_N_Pin und Ext_N_Pout eines Geräts, vorliegend eben des Leistungsschalters, kurzzuschließen und damit eine Impedanzänderung für zwei andere Anschlüsse N-1R und N-2R vorzusehen. Die Anschlüsse Ext_N_Pin und Ext_N_Pout sind somit gewissermaßen Hilfsanschlüsse, die für eine Impedanzänderung bezüglich der Sensoranschlüsse N-1R und N-2R sorgen.
