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Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Überprüfen eines Rogowskiwandlers in einem Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
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Ein solcher Leistungsschalter ist mit der Bezeichnung „NSX“ von der Firma Schneider gegenwärtig auf dem Markt erhältlich.
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Ein Leistungsschalter weist, damit er eine leitende Verbindung unterbrechen kann, zumindest einen Schaltkontakt auf. Das Unterbrechen der leitenden Verbindung soll dann erfolgen, wenn die Stromstärke eines Stroms durch eine Stromleitung einen bestimmten Wert überschreitet. Hierzu muss die Stromstärke gemessen werden. Vorliegend wird ein Rogowskiwandler zur Messung der Stromstärke eingesetzt; das ist eine Spule ohne Eisenkern, d. h. eine Luftspule oder allgemein eine auf einem Kunststoffkörper aufgewickelte Spule. Dem Rogowskiwandler nachgeordnet ist eine Verstärkungsstufe zum Verstärken von Ausgangssignalen des Rogowskiwandlers, also zum Verstärken der im Rogowskiwandler aufgrund einer Änderung der Stromstärke durch den Stromleiter induzierten Spannung. Es gibt zudem eine Datenverarbeitungseinrichtung – typischerweise einen Mikrocontroller – zum Auswerten der so verstärkten Ausgangssignale und zum Bewirken des Öffnens zumindest eines der Schaltkontakte in Abhängigkeit vom Ergebnis des Auswertens.
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Eine Besonderheit beim gattungsgemäßen Leistungsschalter besteht darin, dass er eine Einrichtung zum Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung aufweist. Der Zweck hiervon ist es, den Rogowskiwandler auf Drahtbruch zu prüfen: Wenn ein Draht der Spule beschädigt ist, erhält man ausgangsseitig einen Spannungs-Versatz (Offset), der durch die Datenverarbeitungseinrichtung erfasst wird. Auf diese Weise kann die Datenverarbeitungseinrichtung feststellen, ob der Rogowskiwandler funktionstüchtig ist oder nicht.
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Man möchte nun ein und denselben Typus von elektronischer Auslöseeinheit (ETU, electronic trip unit) für eine Vielzahl von Schalternennströmen anwenden. Je nach der Nenn-Auslösestromstärke muss die Verstärkerstufe der ETU die Ausgangssignale unterschiedlich verstärken.
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Man hat nun das Problem, dass bei Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung der Offset je nach Verstärkungsfaktor in der Verstärkerstufe unterschiedlich verstärkt wird. Da die Datenverarbeitungseinrichtung nur einen eingeschränkten Eingangsbereich für die Messwerte aufweist, führt dies zu Einschränkungen darin, die ETU des Leistungsschalters desselben Typus für unterschiedliche Schalternennströme einzusetzen – der Messbereich der Datenverarbeitungseinrichtung ist nicht ausreichend groß.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Gattung so zu konstruieren, dass die verwendete elektronische Auslöseeinheit universell einsetzbar ist, d. h. über einen sehr großen Bereich von Schalternennströmen hinweg anwendbar ist, ohne jeweils individuell bautechnisch angepasst werden zu müssen.
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Diese Aufgabe wird in einem Aspekt durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Zur Erfindung gehört auch das Bereitstellen eines Verfahrens zum Überprüfen eines Rogowskiwandlers in einem Leistungsschalter gemäß Patentanspruch 3.
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Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschalter umfasst somit die Einrichtung zum Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung einen Digital-Analog-Wandler, der mit einem Kommunikationsbus gekoppelt ist, über welchen digital der Wert für die Gleichspannung zum Zwecke des Wandelns durch den Digital-Analog-Wandler vorgebbar ist.
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Wegen der Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers lässt sich eine geeignete Datenverarbeitungseinrichtung als Teil der Einrichtung zum Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung vorsehen, die in Abhängigkeit vom Schalternennstrom, für die der Leistungsschalter ausgelegt sein soll, die Gleichspannung derart variiert, dass der entstehende Offset bei sämtlichen Verstärkungsfaktoren, die in der Regel ebenfalls in Abhängigkeit von der Schalternennstrom eingestellt werden, gleich oder von der selben Größenordnung ist.
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Ein Digital-Analog-Wandler lässt sich auch auf einer Leiterplatte in dem Leistungsschalter ohne weiteres vorsehen, er nimmt daher wenig Platz ein.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kommunikationsbus auch mit der Datenverarbeitungseinrichtung zum Auswerten der verstärkten Ausgangssignale und zum Bewirken des Öffnens eines der Schaltkontakte gekoppelt, und diese Datenverarbeitungseinrichtung ist ihrerseits auch dazu ausgelegt, sowohl einen Verstärkungsfaktor für die Verstärkerstufe als auch die Amplitude der Gleichspannung festzulegen. Auf diese Weise wird die Datenverarbeitungseinrichtung in manchen Aspekten Teil der Verstärkerstufe und Teil der Einrichtung zum Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung. Diese anteilige Zuordnung lässt sich an Softwarebausteinen festmachen, denn die entsprechende Auslegung der Datenverarbeitungseinrichtung wird in der Regel dadurch ermöglicht, dass die Datenverarbeitungseinrichtung entsprechend programmiert ist, d. h. auf ihr Softwarebausteine zum Ablauf gebracht werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung könnte auch ein PC System in der Fertigung sein. Dies hat den Vorteil, dass der Mikrokontroller sich nicht um die entsprechende Kommunikation mit dem Digital-Analog-Wandler (Digitales Potentiometer) kümmern muss. Der DAC wird in Fertigung programmiert bzw. eingestellt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Datenverarbeitungseinrichtung eine Information bezüglich eines Schalternennstroms des Leistungsschalters zugeführt. Die Datenverarbeitungseinrichtung bewirkt eventuell, dass ein vom Schalternennstrom abhängiger Verstärkungsfaktor einer Verstärkerstufe eingestellt wird. Vor allem aber gibt sie digital den Wert für die anzulegende Spannung abhängig vom Schalternennstrom vor, und dieser digital vorgegebene Wert wird von einem Digital-Analog-Wandler gewandelt, sodass die anzulegende Spannung von dem Digital-Analog-Wandler ausgegeben wird.
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Das Verfahren beinhaltet die Anpassung der ETU von einem bestimmten Typus eines Leistungsschalters an einen bestimmten Schalternennstrom. Die einzige Bedienhandlung, welche dazu erfolgen muss, ist das Zuleiten der Information bezüglich des Schalternennstroms an die Datenverarbeitungseinrichtung, d. h. das Programmieren der Datenverarbeitungseinrichtung, die eben in der Regel ein Mikrocontroller ist. Das Programmieren kann durch Angabe einzelner Werte auf sehr einfache Weise erfolgen, wenn die Software der Datenverarbeitungseinrichtung entsprechend ausgelegt ist. Ebenso können die Informationen bezüglich des Nennstromes, also die entsprechenden Einstellwerte, auch direkt in den DAC (digitales Potentiometer) geschrieben und gegebenenfalls abgespeichert werden.
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Alle weiteren Schritte erfolgen durch die Datenverarbeitungseinrichtung selbst. Insoweit erfolgt das Überprüfen, nachdem einmal eine Information bezüglich eines Schalternennstroms zugeführt wurde, in der Regel selbsttätig oder nach einer Bedieneingabe durch den Leistungsschalter selbst. Die Datenverarbeitungseinrichtung bzw. der Mikrocontroller gibt einfach digital den Wert für die anzulegende Spannung aus und erfasst die Antwort des Rogowskiwandlers, d. h. überprüft, ob ein bestimmter Offset gegeben ist, der für einen Drahtbruch spricht.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsschalters unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, in der
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1 in einer schematischen Schaltung die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauteile des Leistungsschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und
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2 die wesentlichen Bauteile einer Einrichtung zum Beaufschlagen des Rogowskiwandlers mit einer Gleichspannung veranschaulicht, wie sie der erfindungsgemäße Leistungsschalter aufweisen kann.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Leistungsschalter weist einen Mikrocontroller 12 auf, der eine mechanische Auslöseeinheit 14 anzusteuern ausgelegt ist, die ihrerseits auf einen Schaltkontakt 16 einwirkt. Mithilfe des Schaltkontakts 16 kann eine leitende Verbindung zwischen zwei Anschlüssen 18a und 18b des Leistungsschalters 10 unterbrochen werden.
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Üblicherweise wird die Stromstärke des durch die Leitung fließenden Stroms gemessen, vorliegend mithilfe eines Rogowskiwandlers 20, der in 1 ohne die Leitung gezeigt ist. Der Rogowskiwandler 20, auch als Rogowskispule bezeichnet, umfasst eine Luftspule, also eine Spule, die auf einem Kunststoffkern aufgewickelt ist (oder auf gar keinem Kern). Eine Änderung in der Stromstärke bewirkt das Induzieren einer Spannung in dem Rogowskiwandler 20 und das Ausmaß dieser induzierten Spannung wird durch den Mikrocontroller 12 erfasst. Ergibt eine Auswertung durch den Mikrocontroller 12, dass die Stromstärke zu hoch ist, wird die Auslöseeinheit 14 angesteuert, damit der Schaltkontakt 16 geöffnet wird.
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Nun soll ein und derselbe Leistungsschalter 10 für unterschiedliche Nennströme geeignet sein. Der Mikrocontroller 12 hat jedoch lediglich einen beschränkten Messbereich, was die möglichen Eingangswerte betrifft. Deswegen umfasst der Leistungsschalter 10 eine Verstärkungsstufe 22 mit einem Operationsverstärker, der über einen Widerstand 24 mit der Rogowskispule 20 gekoppelt ist, die mit ihrem anderen Ende mit Masse („GND“) gekoppelt ist. Der Eingang E1 des Verstärkers 22 ist zudem über eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 26 und einem Widerstand 28 ebenfalls mit Masse gekoppelt.
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Der Ausgang A des Verstärkers 22 ist über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 30 und 32 ebenfalls mit Masse gekoppelt, wobei ein mittlerer Spannungsabgriff 34 zwischen den Widerständen 30 und 32 mit dem zweiten Eingang E2 des Verstärkers 22 gekoppelt ist.
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Der Ausgang des Verstärkers 22 ist zudem mit dem Eingang E3 des Mikrocontrollers 12 gekoppelt.
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In nicht gezeigter Weise kann der Mikrocontroller 12, wenn ihm der Nennstrom bekannt ist, den Verstärker 22 so ansteuern, dass ein geeigneter Verstärkungsfaktor vorgesehen ist, dass dem Nennstrom entsprechende Signale in die Größenordnung der möglichen Eingangswerte für den Mikrocontroller 12 fallen. Alternativ wird der Verstärkungsfaktor (Anpassung der ETU an den Nennstrom des Schalters) in der Fertigung via I2C-Kommunikation in ein digitales Potentiometer geschrieben, welches den Verstärkungsfaktor einstellt. Das digitale Potentiometer entspricht dem Widerstand 32 in 1
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Nun soll der Rogowskiwandler 20 auf einen möglichen Drahtbruch, also eine Beschädigung der Wicklung, geprüft werden. Hierzu wird eine Gleichspannung an den Rogowskiwandler 20 angelegt, und ein sich über die Verstärkerstufe 22 ergebender Offset wird im Falle eines Drahtbruchs durch den ADC des Mikrocontroller 12 erfasst. Dieser Offset entsteht auf folgende Art und Weise: Liegt kein Drahtbruch vor, so ist der Offset bzw. die Offsetspannung sehr gering, da der Innenwiderstand der Spule sehr gering ist (z.B. ca. 200Ohm). Diese Offsetspannung ergibt sich aus dem Stromfluss über den Widerstand 40 und dem daraus resultierenden Spannungsfall an dem Innenwiderstand der Rogowskispule 20. Liegt ein Drahtbruch vor, so ist der Innenwiderstand der Rogowskispule 20 sehr hoch (theoretisch unendlich). Damit ist der Innenwiderstand der defekten Rogowskispule um ein vielfaches größer als der Vorwiderstand 40. Daher fällt an dem Innenwiderstand der Spule nahezu die gesamte Ausgangsspannung des DACs 36 ab. Die Offsetspannung ist dementsprechend groß. Eine nachgeschaltete Verstärkerstufe wird daher nahezu voll ausgesteuert und signalisiert dem Mikrocontroller 12 z.B. einen Überlastfall/Kurzschlussfall. Somit kommt es zu einer Auslösung des Leistungsschalters bei einem defekten Stromwandler (Rogowskispule).
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Die Gleichspannung wird vorliegend dadurch vorgegeben, dass ein Digital-Analog-Wandler 36 ein digitales Eingangssignal erhält, und zwar über einen Kommunikationsbus 38 (den I2C-Bus), und dieses Eingangssignal unmittelbar in eine analoge Spannung wandelt, die über den Widerstand 40 dem Rogowskiwandler 20 zugeführt wird. Vorliegend soll insbesondere vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller 12 entsprechende Ausgänge für den Kommunikationsbus I2C aufweist, um dem Digital-Analog-Wandler 36 die entsprechenden Signale zu zuführen.
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Auf diese Weise kann der Wert der Gleichspannung, die der Digital-Analog-Wandler ausgibt 36, passend zur Verstärkung des Verstärkers 22 ausgewählt sein, sodass der Mikroprozessor 12 anhand der Eingangssignale genau unterscheiden kann, ob ein Offset in einem bestimmten Ausmaß vorliegt, der für einen Drahtbruch am Rogowskiwandler 20 spricht, oder ob dies nicht der Fall ist.
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Die Prüfschaltung für die Rogowskispulen 36 kann etwas komplexer aufgebaut sein, nämlich eine Digital-Analog-Wandler-Stufe 42 aufweisen, die unmittelbar, gegenüber Masse durch einen Kondensator 44 abgegrenzt, ein positives Testsignal DAC_Test+ ausgibt, also eine positive Gleichspannung, und die wahlweise dieses positive Testsignal DAC_Test+ über einen Widerstand 46 und einen Operationsverstärker 48 (und zwar dessen invertierenden Eingang), der über einen Widerstand 50 und einen Kondensator 52 zurückgekoppelt ist, in eine negative Testspannung DAC_Test– wandelt, die denselben Wert, aber mit umgekehrten Vorzeichen hat. Somit kann eine differentielle Ausführung des analogen Eingangskreises (20, 24, 26, 28) ebenfalls auf Drahtbruch geprüft werden.
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Bei komplexeren Messungen (z.B. differentieller Messung) auf Drahtbruch ist nämlich das Verwenden sowohl einer positiven als auch einer negativen Gleichspannung von Vorteil. Dem Rogowskiwandler 20 wird gleichzeitig die positive Gleichspannung DAC_Test+ und die negative Gleichspannung DAC_Test– zugeführt.
