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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Andockmodul für einen Stromwandler umfassend eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Schutzschaltung für den Stromwandler zum Verhindern, dass eine Sekundärspannung an einem Sekundärkreis des Stromwandlers einen Sekundärspannungsschwellwert überschreitet. Die Erfindung betrifft ferner einen Stromwandler mit einem Andockmodul.
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Hintergrund der Erfindung
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Stromwandler arbeiten im Allgemeinen mit einer niederohmigen Bürde von weniger als einem Ohm, beispielsweise beim Einsatz eines Strommessgeräts im Sekundärkreis. Da die Sekundärspannung proportional zur Bürde ist, kann bei einem leerlaufenden Sekundäranschluss die Spannung an den Sekundärklemmen unzulässig hohe Werte annehmen. Um diesbezüglich einen Schutz des Wandlers bei Unterbrechung seines sekundärseitigen Kurzschlusses zu erzielen, beispielsweise bei Entfernung des Messgeräts einschließlich seines Shunt-Widerstands, sind Schutzschalter bekannt, die beim Auftreten unzulässig hoher Sekundärspannungen den Kurzschluss wieder herstellen.
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Die bei einem offenen Sekundärkreis des Stromwandlers entstehenden Spannungsspitzen können sehr hoch und damit lebensgefährlich sein und können zudem zur Zerstörung des Stromwandlers führen.
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Als Abhilfe sind Einrichtungen bekannt, die unverzögert, beispielsweise mittels Dioden oder Relais, oder verzögert kurzschließen. Für den verzögerten Kurzschluss sind Ausführungen bekannt, die periodisch, beispielsweise mittels eines Thermistors, oder dauernd, beispielsweise nach Erweichung eines Abstandhalters, kurzschließen.
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Einrichtungen, die beim Abheben einer Sekundär-Abdeckung oder Abziehen eines Steckers kurzschließen, sind insofern problematisch, als sie bei Unterbrechung an anderer Stelle des Sekundärkreises nicht wirken.
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Relais können so ausgeführt sein, dass sie den Stromwandler-Sekundärkreis nach Beseitigung der Unterbrechung selbsttätig und ohne größere Verzögerung wieder freigeben.
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Eine solche Einrichtung lässt sich allerdings in einem Sekundärklemmenkasten eines Stromwandlers im Allgemeinen nicht unterbringen. Außerdem ist sie teuer und genügt hinsichtlich der Betriebssicherheit und Wetterbeständigkeit nicht immer den hohen betrieblichen Anforderungen.
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So ist aus der
FR 1 178 783 ein Schutzschalter bekannt, bei welchem ein spannungsabhängiges Schaltungselement beim Auftreten unzulässig hoher Sekundärspannungen einen von dem Stromwandler gespeisten Schalter betätigt. Parallel zur Sekundärwicklung und zur Bürde des Wandlers liegt eine Reihenschaltung von zwei antiparallel geschalteten Gleichrichtern und einem als Thermorelais ausgebildeten Relais. Falls die Sekundärspannung einen kritischen Wert erreicht, spricht das Relais an und schließt dabei einen Kontakt, der einen Kurzschlusspfad herstellt, der entweder nur die Gleichrichter oder die Reihenschaltung aus Gleichrichtern und Relais überbrückt.
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Nachteilig bei diesem bekannten Schutzschalter ist, dass er eine hohe Trägheit besitzt, so dass sowohl das Ansprechen, als auch die Wiederherstellung des normalen Betriebszustandes nach Abklingen der unzulässig hohen Sekundärspannung, zeitverzögert ausgeführt werden. Ferner lässt sich ein solcher Schutzschalter, aufgrund seiner Größe, nur schwer im Sekundärklemmenkasten des Stromwandlers unterbringen, ist zudem teuer und ist problematisch hinsichtlich der Betriebssicherheit.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzschaltung für einen Stromwandler hinsichtlich höherer Reaktionsgeschwindigkeit, höheren Belastungsstroms, höherer Betriebssicherheit, geringeren Bauvolumens und geringerer Herstellkosten weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Merkmale der Weiterbildungen können, soweit technisch sinnvoll, miteinander und mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche kombiniert werden.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Andockmodul für einen Stromwandler. Das Andockmodul befindet sich vorzugsweise außerhalb eines Stromwandlers und kann an den Stromwandler angedockt oder angekoppelt werden. Das Andockmodul kann eine elektronische Schaltung für den Stromwandler und mindestens ein elektrisches Verbindungselement zum elektrischen Koppeln der Schaltung mit dem Stromwandler und zum Andocken des Andockmoduls an den Stromwandler umfassen.
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Hierbei umfasst vorzugsweise das Andocken das mechanische Befestigen des Andockmoduls an den Stromwandler. Um das Andocken zu ermöglichen kann der Stromwandler in einem Außenbereich mindestens eine Öffnung aufweisen, in welche das mindestens eine Verbindungselement einsteckbar ist.
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Vorzugsweise umfasst das Andockmodul zwei elektrische Verbindungselemente, insbesondere zum Bereitstellen einer Spannung oder zum Übertragen eines Stroms über die Verbindungselemente oder zum Herstellen eines Kurzschlusses zwischen den Verbindungselementen. Der Kurzschluss kann vorzugsweise dann hergestellt werden, wenn i) die Schaltung als eine Schutzschaltung ausgebildet ist und ii) die Spannung zwischen den Verbindungselementen einen Schwellwert überschreitet.
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Das Andockmodul kann auch eine Schaltung umfassen, die eine von einer Schutzschaltung verschiedene Funktion bereitstellt, beispielsweise einen Shunt-Widerstand.
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Vorteilhafter Weise ermöglich das vorliegende Konzept ein leichtes, effizientes und unproblematisches Koppeln oder Andocken des Andockmoduls an den Stromwandler. Besonders vorteilhaft ist ein solches Andocken wenn der Stromwandler nachträglich um die in dem Andockmodul implementierte Funktionalität erweitert werden soll. Hierbei heißt nachträglich, dass ein Nutzer zunächst einen Stromwandler hat, welcher die in dem Andockmodul implementierte Funktionalität nicht aufweist; wenn der Stromwandler um die in dem Andockmodul implementierte Funktionalität erweitert werden soll, dann kann der Stromwandler mit dem Andockmodul nachgerüstet werden. Das Andockmodul kann damit als Nachrüstmodul angesehen werden.
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Der Stromwandler ist im Wesentlichen ein kurzgeschlossener Transformator, der zum potentialfreien Messen von Wechselströmen verwendet wird. Er dient vorzugsweise zur Speisung von Strommessgeräten oder Energiezählern.
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Die Primärwicklung des Stromwandlers besteht häufig aus einer einzigen Windung, beispielsweise einer Kupferschiene, während die Sekundärwicklung eine höhere Windungszahl hat. Das bedeutet, dass bei Leerlauf die Spannung des Primärkreises auf eine noch höhere Spannung im Sekundärkreis transformiert wird. Die hohe Spannung im Sekundärkreis kann zu einer Personengefährdung oder zu einer Zerstörung des Stromwandlers führen.
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Die Schaltung kann eine Schutzschaltung für den Stromwandler sein. Die Schutzschaltung dient zum Verhindern, dass eine Sekundärspannung an einem Sekundärkreis des Stromwandlers einen Sekundärspannungsschwellwert überschreitet. Der Sekundärspannungsschwellwert kann beispielsweise einen bei der Herstellung der Schutzschaltung voreingestellter Wert oder einen durch eine Bedienperson einstellbaren Wert aufweisen.
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Die Schutzschaltung kann einen Schutzschaltungseingang aufweisen, vorzugsweise in Form von Kontaktstiften oder eines Klemmenpaares, der an den Sekundärkreis des Stromwandlers koppelbar ist, so dass die Sekundärspannung an dem Schutzschaltungseingang anliegt.
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Die Schutzschaltung kann ferner eine mit dem Schutzschaltungseingang verbundene Steuereinheit, sowie eine mit dem Schutzschaltungseingang verbundene Schaltereinheit, die mit der Steuereinheit ansteuerbar verbunden ist, umfassen.
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Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, unter Ansprechen auf ein Überschreiten des Sekundärspannungsschwellwerts durch die Sekundärspannung, ein Steuersignal an die Schaltereinheit bereitzustellen. Der Wert der Sekundärspannung, der mit dem Sekundärspannungsschwellwert verglichen wird, kann eine Amplitude, ein Mittelwert, Momentanwert oder Effektivwert der Sekundärspannung sein.
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Die Steuereinheit kann in Form einer elektronischen Schaltung, beispielsweise auf Halbleiterbasis, insbesondere in Gestalt eines integrierten Schaltkreises, implementiert sein.
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Die Schaltereinheit kann dazu ausgebildet sein, unter Ansprechen auf das von der Steuereinheit bereitgestellte Steuersignal, den Schutzschaltungseingang kurzzuschließen. Das Steuersignal kann auf der Leitung, welche die Steuereinheit mit der Schaltereinheit verbindet, in Form einer Spannung bereitgestellt werden, die beim Überschreiten oder unter Ansprechen auf das Überschreiten des Sekundärspannungsschwellwerts ihren Wert ändert, beispielsweise von LOW auf HIGH oder umgekehrt.
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Unter Kurzschließen des Schutzschaltungseingangs kann verstanden werden, dass das Schaltelement einen niederohmigen Widerstand in Höhe von weniger als 10 Ω, oder 1 Ω, oder 0,1 Ω, annimmt, der somit an den Schutzschaltungseingang geschaltet wird.
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Die Schaltereinheit kann als eine Halbleiterschaltung ausgebildet sein. Die Halbleiterschaltung kann vorzugsweise als ein Halbleiterschalter oder Halbleiterrelais ausgebildet sein. Hierbei kann unter Halbleiterschalter ein auf Halbleiterbasis implementierter Schalter verstanden werden. Unter Halbleiterrelais kann ein auf Halbleiterbasis implementiertes Relais verstanden werden.
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Gegenüber elektromechanischen Relais (EMR) bieten auf Halbleiterbasis implementierte Schalter oder Relais eine Vielzahl von Vorteilen:
- – Halbleiterschalter sind typischerweise kleiner als EMRs, wodurch sich eine deutliche Platzeinsparung auf gedruckten Leiterplatten ergibt.
- – Halbleiterschalter bieten eine bessere Systemzuverlässigkeit, da sie keine beweglichen Bauteile haben oder Kontakte die sich abnutzen könnten.
- – Halbleiterschalter schalten prellfrei.
- – Halbleiterschalter bieten bessere System-Lebenszeitkosten, einschließlich einer einfacheren Schaltung mit geringeren Anforderungen an Stromversorgung und die Wärmeabfuhr.
- – Halbleiterschalter können Surface-Mount-Technologie (SMT) nutzen, was geringere Bestückungskosten und eine einfache Leiterplattenmontage zur Folge hat.
- – Halbleiterschalter können nicht durch Magnetfelder beeinträchtigt werden.
- – Halbleiterschalter sind unempfindlich gegenüber mechanischen Einflüssen wie Schock und Vibration.
- – Halbleiterschalter erzeugen keine elektromagnetischen Störungen und sind auch nicht empfindlich gegenüber diesen Einflüssen (EMV, EMI).
- – Halbleiterschalter können auf gedruckten Leiterplatten vorteilhaft wie ICs verarbeitet werden.
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Die Schaltung, insbesondere die Schutzschaltung, kann auf einer Schaltungsplatine aufgebaut sein, wobei das Verbindungselement über die Schaltungsplatine hinaus und/oder aus dem Andockmodul heraus ragen kann. Hierbei kann das Verbindungselement als eine zungenförmige Lasche ausgebildet sein, die aus dem Gehäuse oder dem Andockmodul herausragt, wobei die Lasche insbesondere als eine zungenförmige Ausbuchtung der Schaltungsplatine ausgebildet ist.
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Das Andockmodul umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, in welchem die Schaltung, insbesondere die Schutzschaltung, untergebracht ist. Das Gehäuse kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, beispielsweise Spezialkeramik mit hohen Aluminiumoxidanteilen, Steatit, Porzellan, Glas, Kunststoff, glasfaserverstärkter oder hydrophober Kunststoff.
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Aufgrund der hohen Ströme, die bei einem Kurzschluss zu erwarten sind, ist ein niedriger Kontaktwiderstand an dem Verbindungselement sehr wichtig. Daher kann die Lasche einseitig oder beidseitig mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere mit einem Metall, vorzugsweise mit Gold, Silber oder Kupfer, beschichtet sein.
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Die beidseitigen Beschichtungen der Lasche können über eine Durchkontaktierung der Schaltungsplatine miteinander verbunden sein. Der Vorteil der Durchkontaktierung liegt in dem verbesserten elektrischen Kontakt (beidseitig, oben und unten) mit einem entsprechenden Element, vorzugsweise einem Sekundäranschluss, des Stromwandlers. Sofern die Beschichtungen der Lasche gegebenenfalls nicht miteinander verbunden sind, können mit einer Lasche oder einem Verbindungselement zwei elektrische Verbindungen bereitgestellt werden.
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Das Verbindungselement kann mittels eines Anspannungselements, vorzugsweise einer Schraube, an den Stromwandler angepresst sein oder angepresst werden, wobei vorzugsweise das Verbindungselement in einem dem Stromwandler zugewandten Endbereich eine Kerbe aufweist. Das Anpressen des Verbindungselements an den Stromwandler kann zum Herstellen oder Verbessern eines elektrischen Kontakts mit dem Stromwandler, vorzugsweise mit einem der Sekundäranschlüsse des Stromwandlers, dienen. Das Anziehen des Anspannungselements kann auch zum Festmachen, Anmontieren oder Anlegen des Andockmoduls an den Stromwandler dienen.
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Das Andocken umfasst das Herstellen oder Verbessern eines elektrischen Kontakts zwischen Verbindungselement und Stromwandler. Zum Andocken des Andockmoduls ist vorzugsweise folgendes Vorgehen möglich: i) die Schraube wird gelockert, ii) das Verbindungelement wird in die komplementäre, auf der Stromwandler-Seite bereitstehende Öffnung eingeschoben, iii) die Schraube wird angezogen, wodurch der elektrische Kontakt zum Stromwandler hergestellt ist oder das Andockmodul an den Stromwandler anmontiert ist.
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Vorzugsweise weist das Gehäuse Rastelemente auf, die dazu ausgebildet sind, mit Rastelementen der Schaltungsplatine zusammenzuwirken, um einen Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine an das Gehäuse zu bilden. Mittels des Rastmechanismus kann die Schaltungsplatine in das Gehäuse geschoben und dort verrastet werden. Der Rastmechanismus dient insbesondere zum Herstellen einer schwer lösbaren, vorzugsweise nicht lösbaren, mechanischen Verbindung der Schaltungsplatine mit dem Gehäuse.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Stromwandler, vorzugsweise einen Durchsteckwandler, an den ein Andockmodul gemäß obiger Beschreibung andockbar oder koppelbar ist.
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Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass
- – die Baugröße der Schutzschaltung gegenüber herkömmlichen Schutzschaltungen sehr viel geringer ist,
- – ein Stromwandler mit integrierter Schutzschaltung bereitgestellt werden kann, der sich bezüglich seiner Abmessungen nicht oder nur geringfügig von einem herkömmlichen Stromwandler unterscheidet, und
- – eine sehr geringe Reaktionszeit der Schutzschaltung gewährleistet ist.
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Weitere Vorteile der Erfindung hängen unter anderen mit der Realisierung von Steuereinheit und Schaltereinheit auf Halbleiterbasis zusammen.
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Die Merkmale der nachfolgenden Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung können mit den obigen Aspekten der Erfindung kombiniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit direkt mit dem Schutzschaltungseingang verbunden sein.
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Ferner kann die Schaltereinheit direkt mit dem Schutzschaltungseingang verbunden sein.
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Hierbei heißt „direkt verbunden“, dass die Komponente „Steuereinheit“ und/oder „Schaltereinheit“ unmittelbar an den Schutzschaltungseingang gekoppelt oder damit verbunden ist, wobei sich keine elektrischen oder mechanischen Elemente zwischen der Komponente und dem Schutzschaltungseingang befinden.
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Die Schutzschaltung kann eine mit dem Schutzschaltungseingang verbundene Begrenzungseinheit für einen Überspannungsschutz umfassen. Die Begrenzungseinheit kann einen spannungsabhängigen Widerstand umfassen. Der spannungsabhängige Widerstand hat einen konstanten Wert, solange die an der Begrenzungseinheit anliegende Spannung unter einem Schwellwert liegt. Wenn die Spannung den Schwellwert überschreitet, reduziert der Widerstand seinen Wert, so dass sich der Strom durch den Widerstand erhöht und die am Widerstand anliegende Spannung den Schwellwert nicht überschreitet.
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Vorteilhafter Weise ergänzen und unterstützen sich Begrenzungseinheit, Schalteinheit und Steuereinheit gegenseitig bezüglich der Schutzfunktion für den Stromwandler. Einerseits, weil die Schalteinheit für größere Ströme als die Begrenzungseinheit ausgelegt ist. Gemeinsam können die Komponenten Schalteinheit und Begrenzungseinheit einen größeren Strom ertragen als jede Komponente für sich allein.
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Auf der anderen Seite unterstützt die Begrenzungseinheit die Steuereinheit, weil mittels der Parallelschaltung von Begrenzungseinheit und Steuereinheit eine definierte Spannung an den Eingang der Steuereinheit bereitgestellt oder ermöglicht wird. Damit kann die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Steuereinheit durch eine überhöhte Spannung am Eingang der Steuereinheit reduziert werden.
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Zudem ermöglicht die Verwendung der Begrenzungseinheit einen Einsatz von Komponenten für die Steuereinheit und Schalteinheit, die nicht für hohe Spannungen ausgelegt sind, so dass dafür preiswerte Komponenten eingesetzt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit eine Komparatoreinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, das Steuersignal an die Schaltereinheit bereitzustellen, falls eine Eingangsspannung der Komparatoreinheit einen Schwellwert überschreitet.
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Die Steuereinheit kann ferner einen mit dem Schutzschaltungseingang verbundenen Gleichrichter umfassen zum Bereitstellen einer von einer Amplitude der Sekundärspannung abhängigen, insbesondere pulsierenden, Gleichspannung als Eingangsspannung der Komparatoreinheit.
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Vorteilhafter Weise ermöglich der Gleichrichter eine Reaktion der Steuereinheit sowohl während negativer als auch positiver Halbwellen der Sekundärspannung, was eine weitere Verkürzung der Reaktionszeit ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Komparatoreinheit einen Komparator umfassen mit einem positiven Eingang, einem negativen Eingang an welchem eine Spannung in Höhe von etwa der Eingangsspannung der Komparatoreinheit anliegt, und einem Ausgang, welcher das Steuersignal bereitstellt.
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Die Komparatoreinheit kann ferner einen Spannungsteiler umfassen, wobei der positive Eingang mit der Eingangsspannung der Komparatoreinheit über den Spannungsteiler verbunden ist. Dadurch kann dem positiven Eingang des Komparators eine gemäß dem Teilungsverhältnis des Spannungsteilers reduzierte Eingangsspannung zugeführt werden.
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Die Komparatoreinheit kann auch eine Zener-Diode umfassen, die mit dem negativen Eingang verbunden ist, zum Begrenzen einer am negativen Eingang anliegenden Spannung. Damit ist gewährleistet, dass am negativen Eingang des Komparators maximal die Durchbruchsspannung der Zener-Diode anliegt.
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Die Komparatoreinheit kann einen Kondensator umfassen, der mit dem positiven Eingang verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltereinheit mehrere MOSFETs umfassen.
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Vorteilhafter Weise kann die Schaltereinheit zwei in einer Back-to-Back Schaltung angeordnete MOSFETs umfassen. Hierbei können die Drain-Anschlüsse der Transistoren jeweils mit den Klemmen des Schutzschaltungseingangs verbunden sein, und die Gates können mit der Steuereinheit zum Zuführen des Steuersignals verbunden sein. Die Back-to-Back Schaltung ist vorteilhafter Weise für sehr hohe Ströme verwendbar. Zudem ist die Back-to-Back Schaltung wechselspannungsfähig, da ein Stromfluss in beide Richtungen möglich ist.
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Die Schaltereinheit kann insbesondere einen Solid-State Relay (SSR) umfassen.
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Alternativ kann die Schaltereinheit einen Thyristor, vorzugsweise einen Triac, umfassen. Ein Triac hat bis zu seiner Sperrspannung einen sehr hohen Innenwiderstand, so dass er die Messgenauigkeit des Stromwandlers nicht beeinflusst. Andererseits sinkt sein Innenwiderstand sehr schnell nach seiner Ansteuerung auf Werte << 1 Ω, so dass dann ein sekundärer Kurzschluss des Wandlers hergestellt wird.
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Die Schaltereinheit kann einen Optokoppler zum Einkoppeln des Steuersignals umfassen. Damit wird kann die Schaltereinheit gegenüber der Steuereinheit galvanisch entkoppelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Begrenzungseinheit eine Suppressordiode (englisch: Transient Absorption Zener / TAZ-Diode, oder Transient Voltage Suppressor / TVS-Diode) umfassen. Die Suppressordiode bewirkt einen Schutz des Schutzschaltungseingangs, sowie aller damit verbundenen Komponenten wie Sekundärkreis, Steuereinheit oder Schaltereinheit, vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen.
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Alternativ oder ergänzend kann die Begrenzungseinheit einen Varistor und/oder einen Gasableiter zum Schutz des Schutzschaltungseingangs vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Schutzschaltung unmittelbar an dem Stromwandler, genauer in dem Gehäuse des Stromwandlers, vorzugsweise in einem Sekundärklemmenkasten des Stromwandlers, beherbergt sein. Hierbei kann ein Stromwandlergehäuse derart ausgebildet sein, dass es den Sekundärklemmenkasten, in welchem Sekundärkreisklemmen des Stromwandlers angeordnet sind, sowie ein Sekundärkreisgehäuse, worin die Sekundärspule des Stromwandlers angeordnet ist, umfasst.
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Eine derartige Unterbringung der Schutzschaltung ermöglicht für eine aus Stromwandler und Schutzschaltung bestehende Anordnung, aufgrund der kompakten Bauweise, eine erhöhte Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente. Die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Schutzschaltung im Zusammenspiel mit einem Stromwandler,
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Schutzschaltung im Zusammenspiel mit einem Stromwandler,
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3 eine schematische Detail-Darstellung der zweiten Ausführungsform der Schutzschaltung,
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4 ein Strom-Spannungs-Diagramm einer Suppressordiode,
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5a eine perspektivische Darstellung eines Stromwandlers,
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5a eine Schnittdarstellung des Stromwandlers,
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6 eine perspektivische Darstellung der Schaltung, die Teil eines Andockmoduls ist,
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7 eine perspektivische Darstellung des Andockmoduls,
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8a eine perspektivische Darstellung eines Stromwandlers umfassend das Andockmodul, und
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8b eine perspektivische Darstellung eines Stromwandlers umfassend das Andockmodul, mit freigelegter Einsicht in das Andockmodul.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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6 zeigt eine perspektivische Darstellung der als Schutzschaltung ausgebildeten Schaltung 12, die Teil eines Andockmoduls 22 ist, welches zwei Verbindungselemente 28.3 aufweist. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung des Andockmoduls 22, worin auch das Gehäuse 26 des Andockmoduls 22 erkennbar ist.
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Die Schaltung 12 ist auf einer Schaltungsplatine 28 aufgebaut, wobei die Verbindungselemente 28.3 über die Schaltungsplatine 28 und aus dem Andockmodul 22 heraus ragen, was in 7 erkennbar ist. Hierbei sind die Verbindungselemente als zungenförmige Laschen 28.3 ausgebildet, die aus dem Gehäuse 26 des Andockmoduls 22 herausragen, wobei die Laschen 28.3 insbesondere als zungenförmige Ausbuchtungen der Schaltungsplatine 28 ausgebildet sind. Hierbei sind die Laschen 28.3 beidseitig (obere Fläche und untere Fläche) vergoldet.
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Die Verbindungselemente 28.3 sind mittels Schrauben 30 an den Stromwandler 10 anpressbar, wobei die Verbindungselemente 28.3 in dem Stromwandler 10 zugewandten Endbereichen Kerben aufweisen. Zum Andocken des Andockmoduls 22 ist folgendes Vorgehen vorgesehen:
- i) die Schrauben 30 werden gelockert,
- ii) die Verbindungelemente 28.3 werden in komplementäre, auf der Stromwandler-Seite bereitstehenden Öffnungen 38 eingeschoben, und
- iii) die Schrauben 30 werden angezogen, wodurch der elektrische Kontakt zum Stromwandler 10 hergestellt ist und zugleich die Verbindungelemente 28.3 an den Stromwandler 10 festgemacht oder anmontiert werden.
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In einem in den Öffnungen 38 des Stromwandlers 10 eingeschobenen Zustand der Verbindungelemente 28.3 stellen diese eine elektrische Verbindung zwischen den Sekundäranschlüssen 10.1 des Stromwandlers 10 und einem Eingang 12.1 der Schutzschaltung 12 her (die Öffnungen 38 sind in 5a erkennbar). In dem Stromwandler 10 liegen Schraubenanschlüsse vor, welche beim Anziehen der Schrauben 30 einen elektrischen Kontakt zwischen den Sekundäranschlüssen 10.1 des Stromwandlers 10 und den Verbindungelementen 28.3 herstellen.
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Durch die paarig angeordneten Schrauben 30 können das als Nachrüstmodul ausgebildete Andockmodul 22 von der einen Seite und die Verbindungskabel 36 zum Strommessgerät 20 auf der anderen Seite des Strommesswandlers 10 angebracht werden. Entsprechende Kontaktelemente (auf einer Seite zum Andockmodul 22 hin und auf der Gegenseite zu den Verbindungskabeln 36 hin) sind in dem Strommesswandler 10 bereits vorhanden, so dass die Verbindungskabel 36 und/oder das Andockmodul 22 jederzeit an den Strommesswandler 10 festgemacht werden können. So kann das Nachrüstmodul auch bereits vor der Montage des Strommesswandlers 10 an den Strommesswandler 10 befestigt werden, was die Montage vor Ort erheblich erleichtert.
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Oberhalb der Schrauben 30 sind Schieber 40 angeordnet (siehe 5a), die in einem eingeschobenen Zustand den Raum oberhalb der Schrauben 30 abdecken und das Eindringen von Staub ins Innere des Andockmoduls 22 verhindern, und in einem ausgeschobenen Zustand einen Zugang zu den Schrauben 30 ermöglichen.
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Wie in 6 und 7 erkennbar ist, weist das Gehäuse 26 Rastelemente 26.1, 26.2 auf, die dazu ausgebildet sind, mit Rastelementen 28.1, 28.2 der Schaltungsplatine 28 zusammenzuwirken, um einen Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine 28 an das Gehäuse 26 zu bilden.
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Das Gehäuse 26 umfasst in einem seitlichen Innenbereich und Öffnungsbereich eine Rippe mit einer Nut 26.2, die vorzugsweise entlang oder parallel zu Seitenkanten des Gehäuses 26 verlaufen. Die Nut 26.2 ist an der Öffnung des Gehäuses 26 mit einem Nutende 26.1 geschlossen. Komplementär zu den Rastelementen des Gehäuses 26 weist die Schaltungsplatine 28 Rastelemente 28.1, 28.2 auf, umfassend einen überstehenden Damm 28.1 mit einer Dammecke 28.2.
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Vorzugsweise sind die Rastelemente Nutende 26.1, Nut 26.2 und Damm 28.1 mit Dammecke 28.2 jeweils paarweise ausgebildet.
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In einem in dem Gehäuse 26 eingeführten Zustand der Schaltungsplatine 28 nimmt die Nut 26.2 des Gehäuses 26 den Damm 28.1 der Schaltungsplatine 28 auf, wobei die Dammecke 28.2 der Schaltungsplatine 28 hinter dem vorderen verschlossenen Ende 26.1 der Nut verrastet.
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Die Verrastung von Nutende 26.1 und Dammecke 28.2 bildet den Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine 28 an das Gehäuse 26. Dieser Rastmechanismus verhindert das Lösen der Schaltungsplatine 28 von dem Gehäuse 26 oder das Herausnehmen der Schaltungsplatine 28 aus dem Gehäuse 26 und stellt damit eine feste, stabile, vorzugsweise nicht lösbare, mechanische Verbindung der Schaltungsplatine 28 mit dem Gehäuse 26 dar.
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8a zeigt eine perspektivische Darstellung des Stromwandlers 10, an welchem das Andockmodul 22 bereits angedockt ist. In dem gezeigten Zustand ist Andockmodul 22 fest an den Stromwandler 10 gepresst oder angedockt und kann nicht ohne weiteres von dem Stromwandler 10 getrennt werden, wodurch eine hohe mechanische Stabilität und Betriebssicherheit des Stromwandlers 10 gewährleistet ist.
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8b zeigt die Anordnung umfassend den Stromwandler 10 und das Andockmodul 22, mit freigelegter Einsicht in das Andockmodul 22. Hierbei ist erkennbar, wie der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungselement 28.3 und dem Stromwandler 10 hergestellt wird.
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In der Öffnung 38 befindet sich eine kanalförmige, dünnschalige, aus einem Metall bestehende Aufnahmevorrichtung für das Verbindungselement 28.3, die zu den Schrauben 30 hin Öffnungen zum Einführen der Schrauben 30 und auf der zu den Öffnungen gegenüberliegenden Seite Gewindebohrungen aufweist. Eine in einer Öffnung eingeführte Schraube 30 kann in die Gewindebohrung mittels Drehen eingeschraubt werden, wodurch ein in der Aufnahmevorrichtung aufgenommenes und eingeklemmtes Verbindungselement 28.3 zusammengedrückt wird, i) zum Herstellen eines elektrischer Kontakts zwischen der oberen und/oder unteren Beschichtung des Verbindungselements 28.3 und der kanalförmigen Aufnahmevorrichtung und ii) zum mechanischen Befestigen des Andockmoduls 22 an den Stromwandler 10.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung 12 für einen Stromwandler 10. Die Schutzschaltung 12 dient zum Verhindern, dass eine Sekundärspannung Us an einem Sekundärkreis 10.1 des Stromwandlers 10 einen Sekundärspannungsschwellwert überschreitet.
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Die Schutzschaltung 12 umfasst
- – einen Schutzschaltungseingang 12.1, der an den Sekundärkreis 10.1 des Stromwandlers 10 gekoppelt ist, so dass die Sekundärspannung Us an dem Schutzschaltungseingang 12.1 anliegt,
- – eine mit dem Schutzschaltungseingang 12.1 verbundene Steuereinheit 16, und
- – eine mit dem Schutzschaltungseingang 12.1 verbundene Schaltereinheit 18, die mit der Steuereinheit 16 ansteuerbar verbunden ist.
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Die Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf ein Überschreiten des Sekundärspannungsschwellwerts durch die Sekundärspannung Us, ein Steuersignal an die Schaltereinheit 18 bereitzustellen.
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Die Schaltereinheit 18 ist dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf das von der Steuereinheit 16 bereitgestellte Steuersignal, den Schutzschaltungseingang 12.1 kurzzuschließen.
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In der 1 ist ferner ein Strommessgerät 20, das zum Messen des Stroms durch den Sekundärkreis 10.1 ausgebildet ist. Während des Messbetriebs ist das Auftreten einer Überspannung am Sekundärkreis 10.1 sehr unwahrscheinlich. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Überspannung oder überhöhten Sekundärspannung Us erhöht sich aber substantiell, sobald das Strommessgerät 20 vom Sekundärkreis 10.1 abgeklemmt wird, was in der 1 angedeutet ist.
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Im Folgenden wird die Funktion der Schutzschaltung 12 erläutert.
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Beim Auftreten einer überhöhten Sekundärspannung Us am Sekundärkreis 10.1 liegt an der Steuereinheit 16 eine Spannung an, welche einen voreingestellten Sekundärspannungsschwellwert überschreitet. Unter Ansprechen auf diese Überschreitung stellt die Steuereinheit 16 ein Steuersignal an die Schaltereinheit 18 bereit, welches beispielsweise von LOW auf HIGH wechselt. Unter Ansprechen auf das Steuersignal reduziert die Schalteinheit 18 ihren Innenwiderstand auf annähernd Null und schließt damit den Sekundärkreis 10.1 kurz.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Schutzschaltung 12 für einen Stromwandler 10. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Schutzschaltung 12 gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Begrenzungseinheit 14, die parallel zur Steuereinheit 16 und zur Schaltereinheit 18 geschaltet ist und mit dem Sekundärkreis 10.1 verbunden ist.
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Vorteilhafter Weise ergänzen und unterstützen sich Begrenzungseinheit 14, Schalteinheit 18 und Steuereinheit 16 gegenseitig bezüglich der Schutzfunktion für den Stromwandler 12. Einerseits, weil die Schalteinheit 18 für größere Ströme als die Begrenzungseinheit 14 ausgelegt ist. Gemeinsam können die Komponenten Schalteinheit 18 und Begrenzungseinheit 14 einen größeren Strom ertragen als jede Komponente für sich allein.
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Auf der anderen Seite unterstützt die Begrenzungseinheit 14 die Steuereinheit 18, weil mittels der Parallelschaltung von Begrenzungseinheit 14 und Steuereinheit 18 eine definierte Spannung an den Eingang der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird.
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Bekanntlich haben Suppressordioden, die bevorzugt für die Begrenzungseinheit 14 verwendet wird, nach Erreichen der Durchbruchspannung (siehe 4) noch einen endlichen Innenwiderstand, so dass sie nur Dauerströme führen können, die niedriger als die üblichen sekundären Nennströme von Wandlern sind. Dies ist ein möglicher Grund dafür, dass bisher keine Schutzschaltungen bekannt sind, die allein aus Suppressordioden bestehen.
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Die zum Kurzschließen der Schaltereinheit 18 benötigte kurze Zeit stellt eine vernachlässigbar kleine Trägheit der Schutzschaltung 12 sicher, da die Steuereinheit 16 jede Halbwelle der Spannung am Sekundärkreis 10.1 "abtasten" kann. Sobald also die Spannung wieder unter einen vorgegebenen Grenzwert gesunken ist, wird in kürzester Zeit selbsttätig der durch die Schutzschaltung 12 hervorgerufene sekundärseitige Kurzschluss aufgehoben. Die Ansteuerung erfolgt periodisch.
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Die 3 zeigt Details der in 2 dargestellten Ausführungsform der Schutzschaltung 12. Demnach umfasst die Steuereinheit 16 einen Gleichrichter 16.1 und eine Komparatoreinheit 16.2. Die Komparatoreinheit 16.2 umfasst:
- – einen Komparator K mit einem positiven Eingang, einem negativen Eingang an welchem eine Spannung in Höhe von etwa der Eingangsspannung der Komparatoreinheit 16.2 anliegt, und einem Ausgang, welcher das Steuersignal bereitstellt;
- – einen Spannungsteiler R2, R3, wobei der positive Eingang mit der Eingangsspannung der Komparatoreinheit 16.2 über den Spannungsteiler R2, R3 verbunden ist;
- – eine Zener-Diode D2, die mit dem negativen Eingang verbunden ist, zum Begrenzen einer am negativen Eingang anliegenden Spannung;
- – einen Kondensator C, der mit dem positiven Eingang verbunden ist.
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Die Begrenzungseinheit 14 umfasst eine Suppressordiode D1. Eine Strom-Spannungs-Kennlinie der Suppressordiode D1 ist in 4 schematisch dargestellt. Hierin ist ersichtlich, dass die Suppressordiode D1 bidirektional im Rückwärtsbetrieb arbeitet. Die Durchlasskennlinie spielt hierbei keine Rolle. Markante Punkte der Kennlinie sind:
- – UR äußerster Punkt der Sperrspannung (revers-stand-off voltage),
- – UB Durchbruchspannung (break-down voltage),
- – UC Begrenzungsspannung (clamping voltage).
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Die Schaltereinheit 18 umfasst zwei in einer Back-to-Back Schaltung angeordnete MOSFETs T1, T2. Hierbei sind die Drain-Anschlüsse der Transistoren T1, T2 jeweils mit den Klemmen des Schutzschaltungseingangs verbunden, und die Gates sind mit dem Komparator K der Komparatoreinheit 16.2 zum Zuführen des Steuersignals verbunden.
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Hierbei wird vorteilhafter Weise ein Kurzschluss automatisch mit den kleinen und leichten Halbleitern der zwei N-Kanal FETs hergestellt, die in der Back-to-Back Schaltung angeordnet sind.
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Die beiden Transistoren T1, T2 schließen den Wechselstrom durch den Sekundärkreis 10.1 nahezu leistungsfrei kurz. Damit ist es möglich auch sehr hohe Ströme, wie beispielsweise einen thermischen Bemessungs-Kurzzeitstrom, welcher das 60-fache des Nennstroms von 5A, also 300 A, beträgt, für eine Sekunde abzuleiten und einen Bemessungs-Stoßstrom welcher das 2,5-fache des Bemessungs-Kurzzeitstroms, also 750 A, beträgt, für eine Halbwelle abzuleiten.
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Der Kurzschluss wird ausgeführt, bevor die Spannung einen gefährlichen Wert überschreitet. Ein solcher Wert entspricht einem Quotienten von Bemessungsleistung und sekundärem Bemessungsstrom des Messwandlers.
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Gemäß 3 wird die gleichgerichtete Spannung Ug durch den Komparator K, mit der Spannung an einer Zener-Diode D2 verglichen. Der Strom durch den Gleichrichter 22 lädt den Kondensator C auf, der die notwendige Spannung für den Komparator K und die Ansteuerung der Transistoren T1, T2 bereitstellt.
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Sobald die Spannung am Eingang des Komparators K die Schwellspannung des Komparators K erreicht, wird der Sekundärkreis 10.1 kurzgeschlossen und der Kondensator C entlädt sich über R1, R2, R3, D1 und K, bis die Abschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K wieder erreicht ist.
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Wenn beispielsweise R4 sehr groß ist und zugleich R2, R3 gleich groß sind, dann ergibt sich ein Sekundärspannungsschwellwert in doppelter Höhe der Zener-Spannung. Die Parameter der Bauelemente der Steuereinheit 16, vorzugsweise die Parameter von R1, R2, R3, D1 und K, ermöglichen somit eine Festlegung des Sekundärspannungsschwellwerts, insbesondere im Verhältnis zur Sekundärspannung Us.
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Die Betriebsspannung des Komparators K ist durch die Gleichrichterdioden vom Kurzschluss getrennt. Steht nach dem Entfernen des Kurzschlusses weiterhin eine zu hohe Spannung am Sekundärkreis 10.1 an, wird der Vorgang wiederholt, sodass die Einschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K niemals überschritten werden kann.
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Die Einschaltspannung und Ausschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K sind über R4 durch eine Hysterese der Komparatoreinheit 16.2 getrennt, sodass keine undefinierten Schwingungen entstehen können. Die Schaltschwellen werden durch die Zener-Diode D2 und die eingestellte Hysterese bestimmt. Das Verhältnis der Widerstände R2, R3 zu dem Kondensator C bestimmt die Häufigkeit des Schaltvorganges.
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Diese Schutzschaltung 12 kann in den Kopf des Stromwandlers 10 untergebracht werden und fest mit der Sekundärkreis 10.1 verbunden werden. Somit funktioniert der automatische Kurzschluss immer, unabhängig davon, wo der Sekundärkreis 10.1 unterbrochen wird.
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Bei der Unterbringung der Schutzschaltung 12 beispielsweise in einem Schaltschrank, welcher die Komponenten einer Anlage beherbergt, an welche der Stromwandler 10 für eine Strommessung angeordnet ist, kann ein Verbindungskabel zur Schutzschaltung 12 an beliebiger Stelle zwischen Stromwandler 10 und Strommessgerät 20 unterbrochen werden, direkt oder unmittelbar an den Anschlüssen des Stromwandlers 10 oder des Strommessgerätes 20.
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Die Schutzschaltung 12 kann auch nach Fertigstellung des Stromwandlers 10 in den Sekundärstromkreis eingefügt werden. Das heißt, ein Nachrüsten des Stromwandlers 10 mit der Schutzschaltung 12 ist möglich.
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Eine Möglichkeit zur Verringerung der Kosten und Baugröße besteht darin, den Maximalstrom des Sekundärkreises 10.1 durch Variation des Materials des Stromwandlers 10 zu begrenzen. Durch angepasstes Kernmaterial kann der magnetische Fluss begrenzt werden, wodurch auch der Strom im Sekundärkreis 10.1 begrenzt wird.
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Die 5a, 5b zeigen zwei Ansichten eines Stromwandlergehäuses 10.2, das einen Stromwandler 10 beherbergt. Das Stromwandlergehäuse 10.2 umfasst
- – ein Sekundärkreisgehäuse 10.5, in welchem der Sekundärkreis 10.1 des Stromwandlers 10 untergebracht ist, und
- – ein Sekundärklemmengehäuse 10.3, genannt auch „Sekundärklemmenkasten“, in welchem Sekundärklemmen untergebracht sind, an denen die Sekundärspannung Us abgegriffen werden kann.
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Die Schutzschaltung 12 ist in dem Stromwandlergehäuse 10.2, vorzugsweise im Sekundärklemmenkasten 10.3, untergebracht oder angeordnet. Die Schutzschaltung 12 ist direkt oder unmittelbar bei den Sekundärklemmen des Sekundärkreises 10.1 angeordnet. Die Schutzschaltung ist damit in dem Gehäuse 10.2 des Stromwandlers 10 vollständig integriert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Stromwandler
- 10.1
- Sekundärkreis des Stromwandlers
- 10.2
- Stromwandlergehäuse
- 10.3
- Sekundärklemmenkasten, Sekundärklemmengehäuse
- 10.4
- Sekundärkreisklemmen
- 10.5
- Sekundärkreisgehäuse
- 12
- Schutzschaltung, elektronische Schaltung
- 12.1
- Schutzschaltungseingang
- 14
- Begrenzungseinheit
- 16
- Steuereinheit
- 16.1
- Gleichrichter
- 16.2
- Komparatoreinheit
- 18
- Schaltereinheit
- 20
- Strommessgerät, Shunt-Widerstand
- 22
- Andockmodul
- 26
- Gehäuse des Andockmoduls 22
- 26.1
- geschlossenes Nutende
- 26.2
- Nut
- 28
- Schaltungsplatine, Leiterplatte
- 28.1
- Damm
- 28.2
- Dammecke
- 28.3
- elektrisches Verbindungselement, Lasche
- 30
- Anspannungselement, Befestigungselement, Schraube
- 36
- Verbindungskabel zum Strommessgerät 20
- 38
- Öffnung zum Aufnehmen des Verbindungselements 28.3
- 40
- Schieber
- D1
- Suppressordiode
- D2
- Zenerdiode
- K
- Komparator
- R1–R4
- Widerstände
- T1, T2
- Transistoren
- Ug
- Gleichspannung
- Us
- Sekundärspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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