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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schützes, sowie ein Schaltgerät mit einer derartigen Regelvorrichtung.
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Bei Schaltgeräten wie Leistungsschützen mit elektromagnetischem Antrieb muss bei einem Schaltvorgang im Antrieb ein magnetisches Feld aufgebaut werden, das einerseits stark genug ist, um die Antriebsmechanik anzutreiben, andererseits aber auch nicht zu stark ist, um Beschädigungen in der Antriebsmechanik zu vermeiden. Beschädigungen können beispielsweise dann entstehen, wenn das durch eine Anzugspule beim Anzugsvorgang aufgebaute Magnetfeld so stark ist, dass es zum Kontaktprellen kommt. Hierbei schlägt ein Kontakt auf seinen Gegenkontakt mit hoher kinetischer Energie auf und prallt aufgrund dieser hohen Energie wieder zurück. Abhängig von der kinetischen Energie kann sich das Kontaktprellen mehrmals wiederholen, bis ein dauerhafter Kontakt zustande kommt. Dadurch können jedoch die Kontakte mechanisch beschädigt werden. Außerdem können vor allem beim Schalten hoher Leistungen beim Kontaktprellen unerwünschte Lichtbögen entstehen, die zu einem Kontaktabbrand führen können.
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In der
DE 195 35 211 A1 wird daher vorgeschlagen, ein Schaltgerät in einen geeigneten Regelkreis mit einem Zweipunkt-Regler einzubinden, der in der Lage ist, einen Anzugsvorgang im gesamten zulässigen Betriebsbereich mit einer auf den Kontaktapparat zugeschnittenen Kontaktgabe-Geschwindigkeit durchzuführen, die auf minimales Prellen optimiert ist. Um das Regelungsziel einer angepassten Kontaktgabe-Geschwindigkeit zu erreichen, wird mittels eines Sensors der Istwert des Magnetflusses detektiert und mit einen gewünschten Geschwindigkeits-Weg-Verlauf vorgebenden Sollwertfolgen verglichen. Bei einer positiven Differenz zwischen Soll- und Istwert wird vom Zweipunkt-Regler die Steuerspannung auf die Erregerwicklung des elektromagnetischen Schaltgerätantriebs geschaltet, ansonsten abgeschaltet. Durch die Sollwertfolgen wird der Antrieb des Schaltgeräts zu dem den Sollwertfolgen entsprechenden Geschwindigkeits-Weg-Verlauf gezwungen, der auf den Kontaktapparat des Schaltgeräts so zugeschnitten sein kann, dass unerwünschtes Kontaktprellen reduziert wird.
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Die
WO97/21237A offenbart eine Einrichtung zum Regeln des magnetischen Flusses auf einen vorgegebenen Bereich, der zeit- und wegunabhängig ist. Dieser Regelung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der für die Regelung verwendete Sollwert des magnetischen Flusses in der Spule (Spulenfluss) des Antriebs eines Schaltgeräts zustands- und positionsunabhängig gewählt werden kann. Daher wird bei der offenbarten Regelung der Spulenstrom so geregelt, dass ein möglichst konstanter Spulenfluss sowohl während eines Anzug- als auch Haltevorgangs erreicht wird. Der Spulenfluss wird hierbei entweder durch eine gesonderte und speziell dafür vorgesehene Hilfsspule oder eine Magnetfeldsonde gemessen. Zur Regelung wird ein einfacher Schwellwertvergleich mit einer oberen und unteren Schwelle für den Spulenfluss eingesetzt.
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Weiterhin ist aus der
US2006/0171091A1 eine Regelung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schützantriebs abhängig von der Ankerstellung bekannt. Die aktuelle Ankerstellung kann hierbei basierend auf der Messung des magnetischen Flusses der Anzugspule mittels einer Sensorspule von einem Prozessor geschätzt werden. Zur Schätzung kann das Verhältnis von gemessenem Anzugspulenstrom zum magnetischen Fluss ausgewertet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine weiter verbesserte Vorrichtung zum Regeln des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schützes, und ein Schaltgerät mit der verbesserten Regelvorrichtung vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung ist für Schaltgeräte mit einem elektromagnetischem Antrieb vorgesehen, der eine Anzug- und eine Haltespule aufweist, die aufgrund ihrer baulichen Anordnung gekoppelt sind, so dass ein magnetisches Feld der Anzugspule eine elektrische Spannung in der Haltespule induziert. Anhand der beim Anzugvorgang eines Schaltgeräts in der Haltespule induzierten Spannung (Induktionsspannung) wird nun nach der Erfindung eine dem magnetischen Fluss der Anzugspule entsprechende Signalgröße erzeugt, die zum Bilden einer Regeldifferenz zusammen mit einer Führungsgröße verwendet wird, welche den von der Anzugspule während des Anzugvorgangs zu erzeugenden zeitlichen magnetischen Flussverlauf vorgibt. Der mit Hilfe der Haltespule gemessene magnetische Fluss der Anzugspule wird dann entsprechend der berechneten Differenz kontinuierlich der Führungsgröße nachgeführt. Hierdurch kann eine optimal an den Antrieb, insbesondere den Betriebszustand des Antriebs angepasste Regelung des Spulenflusses der Anzugspule erreicht werden, mit der auch den magnetischen Fluss der Anzugspule beeinflussende Größen wie Schwankungen der Spuleneingangsspannung und die Spulentemperatur fortlaufend während des Anzugsvorgangs kompensiert werden können und gleichzeitig ein gewünschter durch die Führungsgröße vorgegebener magnetischer Fluss der Anzugspule möglichst genau erreicht wird.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schützes, der eine Anzugspule und eine mit dieser gekoppelten Haltespule aufweist, mit einem Messwandler zum Messen einer in der Haltespule durch den magnetischen Fluss der Anzugspule bei einem Anzugvorgang des Antriebs erzeugten Induktionsspannung und zum Erzeugen einer anhand der gemessenen Induktionsspannung berechneten Signalgröße, die dem magnetischen Fluss der Anzugspule entspricht, und einem Regler zum kontinuierlichen Einstellen der Pulsweite eines Pulsweiten-Modulierten-Signals zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs abhängig von einer Regeldifferenz, die aus einer Führungsgröße und aus der Signalgröße gebildet wird, wobei die Führungsgröße einen abhängig von verschiedenen Einflüssen auf den Antrieb ermittelten Sollwertverlauf des magnetischen Flusses der Anzugspule während des Anzugvorgangs vorgibt. Durch die Regelung der Pulsweite kann eine sehr genaue Regelung des Verhaltens des elektromagnetischen Antriebs während des Anzugvorgangs erreicht werden. Da durch die Führungsgröße kein Geschwindigkeits-Weg-Verlauf wie bei der in der
DE 195 35 211 A1 beschriebenen Regelung vorgegeben wird, sondern ein Sollwertverlauf des magnetischen Flusses der Anzugspule, kann das Verhalten des elektromagnetischen Antriebs besser auf Antriebseinflüsse eingestellt werden, wie beispielsweise Schwankungen der Eingangsspannung der Anzugspule und Temperatureinflüsse. Insbesondere kann sichergestellt werden, dass das Verhalten des Antriebs bei nahezu jeder Eingangsspannung und jeder Umgebungstemperatur etwa gleich ist, wodurch auch die Schaltgeschwindigkeit verbessert und die Stromaufnahme der Anzugspule reduziert werden kann.
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Der Sollwertverlauf kann abhängig von unterschiedlichen Einbaulagen und/oder der Versorgungsspannung des Antriebs und/oder der Temperatur der Anzugspule ermittelt worden sein. Beispielsweise kann der Sollwertverlauf aus einer Messung des magnetischen Flussverlaufs in der Haltespule des Antriebs bei einer ersten Lage des Antriebs und einer weiteren Messung bei einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Lage abgeleitet werden, so dass ein Schaltgerät mit dem Antrieb sowohl in der ersten als auch der zweiten Lage möglichst störungsfrei arbeiten kann. Ebenso können Messungen des magnetischen Flussverlaufs in der Haltespule des Antriebs bei verschiedenen Temperaturen und Versorgungsspannungen des Antriebs, insbesondere der Anzugspule während des Anzugvorgangs für die Ermittlung eines optimierten Sollwertverlaufs ausgewertet werden.
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Weiterhin kann zum Messen des magnetischen Flusses der Haltespule ferner ein Magnetfeld-Sensor vorgesehen sein, und der Regler ferner zum kontinuierlichen Einstellen der Versorgungsspannung der Haltespule abhängig von einer zweiten Regeldifferenz ausgebildet sein, die aus einer zweiten, den von der Haltespule zu erzeugenden magnetischen Fluss vorgebenden Führungsgröße und einer zweiten, aus dem Messsignal des Magnetfeld-Sensor gebildeten Signalgröße gebildet wird. Somit kann auch der magnetische Fluss der Haltespule im Haltebetrieb des elektromagnetischen Antriebs geregelt werden, wodurch Temperatur- und Eingangsspannungsschwankungen der Haltespule kompensiert werden können und somit eine zuverlässige Funktion des Antriebs im Haltebetrieb gewährleistet werden kann.
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Der Regler kann einen P-Regler aufweisen, der die Pulsweite des Pulsweiten-Modulierten-Signals proportional zur Regeldifferenz einstellt. Hierbei kann die Pulsweite zwischen einem Maximal- und einem Minimalwerte abhängig von der Regeldifferenz eingestellt werden, so dass zumindest bei Unterschreiten des Minimalwertes oder Überschreiten des Maximalwertes durch Regeldifferenz ein vorgegebener minimaler bzw. maximaler magnetischer Fluss in der Anzugspule erzeugt wird. Bei zu großen Regelabweichungen, d.h. wenn die Regeldifferenz betragsmäßig einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, kann auch vorgesehen sein, dass der Antrieb abgeschaltet wird, um Beschädigungen zu vermeiden, wenn beispielsweise ein Schaltgerät mit einem durch die Regelvorrichtung geregelten Antriebs mit einer zu hohen Versorgungsspannung betrieben wird, oder auch mit einer zu niedrigen oder zu stark schwankenden Versorgungsspannung.
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Der Messwandler und/oder der Regler können durch einen Prozessor und einen Speicher implementiert werden, in dem ein Programm zum Berechnen der Signalgröße anhand der gemessenen Induktionsspannung, zum Bilden der Regeldifferenz aus der Führungsgröße und aus der dem Prozessor zugeführten Signalgröße und zum Regeln der Pulsweite des Pulsweiten-Modulierten-Signals abhängig von der Regeldifferenz gespeichert ist. Der Prozessor und der Speicher können beispielsweise durch einen Mikrokontroller implementiert werden, der einen Speicher besitzt, in dem eine Firmware eines Schaltgeräts abgelegt ist, welche die vorgenannten Regelfunktionen implementiert. In dem Speicher kann auch der Sollwertverlauf des magnetischen Flusses der Anzugspule während des Anzugvorgangs abgelegt sein, der von der Firmware verarbeitet wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem Schaltantrieb, der eine Anzugspule und eine mit dieser baulich gekoppelten Haltespule aufweist, und einer Regelvorrichtung nach der Erfindung und wie vorstehend beschrieben zum Regeln des von der Anzugspule bei einem Anzugvorgang zu erzeugenden magnetischen Flusses.
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Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein Blockdiagram eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Regeln des elektromagnetischen Antriebs eines Schützes großer Leistung gemäß der Erfindung;
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2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Schützes großer Leistung, in das eine Regelvorrichtung gemäß der Erfindung integriert ist; und
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3 ein Zeitdiagramm mit beispielhaften Verläufen einer Führungsgröße w der Vorrichtung zum Regeln des elektromagnetischen Antriebs gemäß der Erfindung, einer erfindungsgemäß erzeugten Signalgröße wx und der berechneten Regeldifferenz xd sowie dem abhängig von der Regeldifferenz xd geregelten PWM-Signal y.
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In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schützes großer Leistung. Der Schütz-Antrieb weist eine Anzugspule und eine Haltespule auf (in 1 Regelstrecke 12). Konstruktiv ist die Haltespule mit der Anzugspule so gekoppelt, dass in beiden Spulen derselbe magnetische Fluss Φ wirkt. Dadurch stellt sich über die Haltespule die Spannung UHalt = –N·dΦ/dt ein, wenn ein magnetischer Fluss Φ während des Anzugvorgangs von der Anzugspule erzeugt wird. Die Spannung UHalt entspricht einer induzierten Spannung UInd, die in 1 als Größe x bezeichnet ist.
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Ein Messwandler 14 errechnet aus der Spannung UInd (Größe x) den zeitabhängigen magnetischen Fluss Φ(t) und gibt den berechneten Fluss als Signalgröße wx aus.
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Ein Subtrahierer subtrahiert die Signalgröße wx von einer Führungsgröße w, die einen Sollwertverlauf des magnetischen Flusses in der Anzugspule während des Anzugvorgangs vorgibt. Der Sollwertverlauf wurde hierbei abhängig von verschiedenen Einflüssen auf den Antrieb ermittelt. Hierzu werden Messungen des magnetischen Flussverlaufs in der Anzugspule während verschiedener unterschiedlicher Einflüsse auf den Schützantrieb durchgeführt. Messungen können für verschiedene Einbaulagen des Schützes, bei verschiedenen Versorgungsspannungen des Antriebs und/oder bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Aus den durch die verschiedenen Messungen ermittelten Flussverläufen wird dann ein Sollwertverlauf ermittelt, der an eine optimale Funktion des Antriebs unter verschiedenen Betriebsbedingungen angepasst ist, insbesondere eine möglichst optimale Funktion für verschiedene Einbaulagen, Versorgungsspannungs- und Temperaturbereiche gewährleistet.
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Die vom Subtrahierer erzeugte Regeldifferenz xd wird einem Regler 16 zugeführt, der abhängig von der Regeldifferenz xd die Pulsweite eines Pulsweiten-Modulierten-(PWM)Signals y zum Ansteuern der Anzugspule einstellt. In 3 sind beispielhafte Verläufe der Signale w, wx, xd und y zur Verdeutlichung der Regelung gezeigt. Wie in 3 gezeigt ist, weist das PWM-Signal y eine Periode T auf. Während jeder Periode T wird das Signal y für die Zeit Tein eingeschaltet. Die Zeit Tein entspricht der Pulsweite des Signals y während jeder Periode T und bestimmt den in der Anzugspule erzeugten magnetischen Fluss Φ(t), da bei eingeschaltetem Signal y die Anzugspule bestromt wird. Die Zeit Tein wird vom Regler 16 abhängig von der Regeldifferenz xd bestimmt. Typischerweise sind für Tein ein Minimal- und Maximalwert vorgegeben, die im Extremfall 0 bzw. T sein können. Zwischen dem Minimal- und Maximalwert kann Tein beispielsweise proportional zu xd eingestellt werden. In diesem Fall implementiert der Regler 16 einen P-Regel, der die Regeldifferenz xd proportional in eine Zeit Tein umsetzt. Durch diese Regelung kann der magnetische Fluss der Anzugspule sehr genau und fein eingestellt werden.
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2 zeigt ein Schaltbild eines Schützes großer Leistung mit einer Implementierung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung durch einen Mikrokontroller. Das Schütz ist über die beiden Versorgungsanschlüsse A1 und A2 mit Wechselspannungsleitungen L1 und N verbunden. Das Schütz kann hierbei darauf ausgelegt sein, um mit einer Wechselspannung in einem Bereich von wenigen bis mehreren Hundert Volt gespeist zu werden. Die an den Eingängen A1 und A2 anliegende Spannung wird einer Gleichrichterschaltung 30 zugeführt. Die von der Gleichrichterschaltung 30 erzeugte Gleichspannung wird direkt einer Anzugspule 28 und einer Haltespule 26 des Schaltantriebs des Schützes zugeführt. Die Anzugspule 28 und die Haltespule 26 sind jeweils über einen FET (Feldeffekt-Transistor) 32 bzw. 34 mit einem Bezugspotential verbindbar, so dass bei durchgeschalteten FET die jeweilige Spule bestromt und ein magnetischer Fluss erzeugt wird. Während eines Schaltvorgangs wird beim Anzugvorgang nur die Anzugspule 28 bestromt, wodurch der Schaltantrieb bewegt wird, um die Schaltkontakte 36 des Schützes zu schließen. Wenn die Schaltkontakte 36 geschlossen sind, wird in den Haltebetrieb umgeschaltet, in dem nur die Haltespule 26 bestromt wird. Durch die konstruktive Auslegung der Halte- und Anzugspule 26 bzw. 28 sind beide so gekoppelt, dass in ihnen bei Bestromung einer der beiden Spulen derselbe magnetische Fluss Φ fließt. Beim Anzugvorgang wird daher in der Haltespule 26 aufgrund des von der Anzugspule 28 erzeugten magnetischen Flusses die Spannung UInd induziert. Diese Spannung UInd wird über ein Widerstandsnetzwerk 24, insbesondere einem Spannungsteiler, in eine Spannung umgewandelt, die zur weiteren Verarbeitung einem Eingang eines Mikroprozessors oder -kontrollers 20 des Schützes zugeführt wird. Der Mikroprozessor oder -kontroller 20 führt ein in einem (nicht dargestellten) Speicher abgelegtes Betriebsprogramm des Schützes aus, welches im Prinzip die in 1 gezeigte Regelung implementiert. Die Führungsgröße w für die Regelung ist als Sollwertverlauf 22 des magnetischen Flusses Φ(t) während des Anzugvorgangs gespeichert und wird vom Mikroprozessor oder -kontroller 20 für die Zwecke der Regelung ausgelesen. Durch die durch das Betriebsprogamm implementierte Regelung erzeugt der Mikroprozessor oder -kontroller 20 das in 3 als y gezeigte Signal zur Ansteuerung des Anzugspulen-FETs 32. Um den magnetischen Fluss auch im Haltebetrieb des Schützes, also in einem statischen Zustand zu regeln, kann ferner ein magnetischer Sensor wie ein Hallsensor oder GMR (Giant Magneto Resistance; Riesenmagnetowiderstand) vorgesehen sein, dessen Messwert im Haltebetrieb vom Mikroprozessor oder -kontroller 20 ausgewertet wird, um den Haltespulen-FET 34 so anzusteuern, dass der von der Haltespule 26 im Haltebetrieb erzeugte magnetische Fluss einem vorgegebenen Sollwertverlauf entspricht. Im Haltebetrieb wird der Sollwertverlauf des magnetischen Flusses typischerweise konstant sein, so dass als Sollwertverlauf im Prinzip lediglich ein konstanter Wert gespeichert werden muss.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann die Regelung des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts durch Einstellen eines definierten magnetischen Flusses der Anzugspule des elektromagnetischen Antriebs erzeugt werden, wodurch von der Eingangsspannung und Temperatur der Anzugspule nahezu unabhängiges Verhalten des Antriebs erreicht werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Regelvorrichtung
- 12
- Anzug- und Haltespule des elektromagnetischen Schützantriebs
- 14
- Messwandler
- 16
- Regler
- 18
- Subtrahierer
- 20
- Mikrokontroller
- 22
- gespeicherter Sollwertverlauf
- 24
- Widerstandsnetzwerk
- 26
- Haltespule
- 28
- Anzugspule
- 30
- Gleichrichter
- 32
- Haltespulen-FET
- 34
- Anzugspulen-FET
- 36
- Schaltkontakte
- wx
- Signalgröße
- w
- Führungsgröße
- xd
- Regeldifferenz
- y
- Versorgungsspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19535211 A1 [0003, 0009]
- WO 97/21237 A [0004]
- US 2006/0171091 A1 [0005]