DE102014222689A1

DE102014222689A1 - sensor unit

Info

Publication number: DE102014222689A1
Application number: DE102014222689.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Haas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit für ein Schaltgerät, insbesondere für einen Leistungsschalter, mit einem ersten Sensorelement, das einen elektrischen Strom eines elektrischen Leiters misst und einen ersten Messwert abgibt. Ein zweites Sensorelement ist vorgesehen, das ebenfalls den elektrischen Strom des elektrischen Leiters misst und einen zweiten Messwert abgibt. Das erste und das zweite Sensorelement sind mit einer Schalteinheit verbunden, die derart ausgestaltet ist, dass der erste oder zweite Messwert einer Vergleichseinheit zugeführt wird und bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes an Stelle des ersten Messwertes der zweite Messwert am Ausgang der Schalteinheit als Ausgangssignal der Sensoreinheit abgegeben wird.The invention relates to a sensor unit for a switching device, in particular for a circuit breaker, having a first sensor element which measures an electrical current of an electrical conductor and emits a first measured value. A second sensor element is provided, which also measures the electrical current of the electrical conductor and outputs a second measured value. The first and the second sensor element are connected to a switching unit, which is configured such that the first or second measured value is supplied to a comparison unit and outputs the second measured value at the output of the switching unit as output signal of the sensor unit instead of the first measured value when a first threshold value is exceeded becomes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Messung des elektrischen Stromes nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 16. The present invention relates to a sensor unit according to the preamble of patent claim 1 and a method for measuring the electric current according to the preamble of patent claim 16.

Sensoreinheiten können vielfältig eingesetzt werden. Im Vorliegenden soll auf Sensoreinheiten für Schaltgeräte, insbesondere für Leistungsschalter, wie Kompakt-Leistungsschalter, respektive Moulded Case Circuit Breaker, offene Leistungsschalter, respektive Air Circuit Breaker, Leitungsschutzschalter, respektive Miniatur Circuit Breaker, Fehlerstromschutzschalter, respektive Residual Current Devices, Brandschutzschalter, respektive Arc Foult Detection Devices, usw. Bezug genommen werden. Sensor units can be used in many ways. The present invention is based on sensor units for switching devices, in particular for circuit breakers, such as compact circuit breakers, Molded Case Circuit Breaker, open circuit breaker, respectively Air Circuit Breaker, circuit breaker, respectively Miniature Circuit Breaker, residual current circuit breaker, respectively Residual Current Devices, fire protection switch, respectively Arc Foult Detection Devices, etc. can be referenced.

Leistungsschalter sind spezielle Schalter, die derart ausgelegt sind, dass sie unter vielen Fehlerbedingungen, wie beispielsweise Erdschluss, Phasenopposition, Überstrom und Kurzschlüsse, in einem elektrischen Stromnetz, wie z. B. einem Niederspannungsnetz, Lastströme, hohe Überlast- und Kurzschlussströme ein- und ausschalten können. Derartige Schaltgeräte werden als Einspeise-, Verteiler-, Kuppel- und Abgangsschalter in elektrischen Anlagen eingesetzt. Auch beim Schalten und Schützen von Motoren, Kondensatoren, Generatoren, Transformatoren, Sammelschienen und Kabeln kommen derartige Schaltgeräte zum Einsatz. Circuit breakers are special switches that are designed to withstand many types of faults, such as ground fault, phase opposition, overcurrent, and short circuits, in an electrical power system such as electrical equipment. B. a low voltage network, load currents, high overload and short-circuit currents on and off. Such switching devices are used as feed, distribution, dome and output switch in electrical systems. Even when switching and protecting motors, capacitors, generators, transformers, busbars and cables such switching devices are used.

Schaltgeräte können insbesondere in Niederspannungsnetzen, d.h. Netze mit Spannungen bis zu 1000 Volt Wechselstrom bzw. 1500 Volt Gleichstrom, eingesetzt werden. Diese Schaltgeräte weisen Sensoreinheiten auf, die den elektrischen Strom eines das Schaltgerät durchfließenden Leiters messen. Dabei müssen die Sensoreinheiten genau über einen großen Strombereich messen, einen großen Dynamikbereich umfassen, eine große Bandbreite / Frequenzbandbreite abdecken, geringen Fremdfeldeinfluss aufweisen, eine geringe Verlustleistung aufweisen, eine geringe Baugröße haben und sich auch bei hohen Kurzschlussströmen noch sicher verhalten. Dies stellt gewisse Anforderungen an Sensoreinheiten für Schaltgeräte, insbesondere Leistungsschalter. Switchgear can be used in particular in low-voltage networks, i. Networks with voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC, are used. These switching devices have sensor units that measure the electrical current of a conductor flowing through the switching device. The sensor units must measure accurately over a large current range, include a large dynamic range, cover a large bandwidth / frequency bandwidth, have low external field influence, have low power loss, have a small size and behave safely even at high short-circuit currents. This places certain demands on sensor units for switching devices, in particular circuit breakers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoreinheit für ein elektrisches Schaltgerät zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren für eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst. The object of the present invention is to improve a sensor unit for an electrical switching device. This object is achieved by a sensor unit having the features of patent claim 1 and a method for a sensor unit having the features of patent claim 16.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Sensoreinheit für ein Schaltgerät, insbesondere für einen Leistungsschalter, das ein erstes Sensorelement aufweist, mit dem der elektrische Strom eines elektrischen Leiters gemessen wird und ein erster Messwert abgegeben wird, der für das Schaltgerät dazu dienen kann, bei Überschreiten eines Stromreferenzwertes eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises des elektrischen Leiters zu bewirken, erfindungsgemäß mindestens ein zweites Sensorelement vorgesehen ist, das ebenfalls den elektrischen Strom des elektrischen Leiters misst und einen zweiten Messwert abgibt. Das erste und das zweite Sensorelement sind mit einer Schalteinheit verbunden, die derart ausgestaltet ist, dass der erste oder/und der zweite Messwert einer Vergleichseinheit zugeführt wird und der entsprechende Messwert mit einem ersten Schwellwert verglichen wird und bei Überschreiten des Schwellwerts anstelle des Messwertes des ersten Sensorelementes der Messwert des zweiten Sensorelementes am Ausgang der Schalteinheit als Ausgangssignal der Sensoreinheit abgegeben wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass anstelle eines Sensorelementes zwei Sensorelemente eingesetzt werden, wodurch der Dynamikbereich der Sensoreinheit erhöht werden kann, der Fremdfeldeinfluss verringert werden kann, kostengünstig eine Messung über einen großen Strombereich mit für Teilbereichen kostengünstiger Sensorelementen durchgeführt werden kann bzw. der Messwert des Sensorelementes, das den Messwert mit dem geringsten Fehler abgibt, verwendet werden kann. According to the invention, a sensor unit for a switching device, in particular for a circuit breaker having a first sensor element, with which the electrical current of an electrical conductor is measured and a first measured value is output, which can serve for the switching device, when a Current reference value to cause an interruption of the electrical circuit of the electrical conductor, according to the invention at least one second sensor element is provided, which also measures the electric current of the electrical conductor and outputs a second measured value. The first and the second sensor element are connected to a switching unit, which is configured such that the first or / and the second measured value is supplied to a comparison unit and the corresponding measured value is compared with a first threshold value and when the threshold value is exceeded instead of the measured value of the first Sensor element of the measured value of the second sensor element is output at the output of the switching unit as an output signal of the sensor unit. This has the particular advantage that two sensor elements are used instead of one sensor element, whereby the dynamic range of the sensor unit can be increased, the external field influence can be reduced, cost-effective measurement over a large current range can be carried out with sensor elements cost-effective for partial areas or the measured value of the sensor Sensor element that outputs the measured value with the least error can be used.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein drittes Sensorelement vorgesehen, das ebenfalls den Strom des elektrischen Leiters misst und einen dritten Messwert abgibt. Das dritte Sensorelement ist mit der Schalteinheit verbunden, die derart ausgestaltet bzw. erweitert ist, dass der dritte Messwert der Vergleichseinheit zugeführt wird und bei Überschreiten eines höheren, zweiten Schwellwertes anstelle des zweiten Messwertes der dritte Messwert am Ausgang der Schalteinheit als Ausgangssignal der Sensoreinheit abgegeben wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine noch höhere Genauigkeit der Messung erzielt werden kann, kostengünstige Sensorelemente für den entsprechenden Strombereich eingesetzt werden können bzw. der Fremdfeldeinfluss auf die Messung reduziert werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, a third sensor element is provided, which also measures the current of the electrical conductor and outputs a third measured value. The third sensor element is connected to the switching unit, which is configured or expanded in such a way that the third measured value is fed to the comparison unit and if a higher, second threshold value is exceeded, the third measured value is output at the output of the switching unit as output signal of the sensor unit instead of the second measured value , This has the particular advantage that an even higher accuracy of the measurement can be achieved, cost-effective sensor elements can be used for the corresponding current range, or the external field influence on the measurement can be reduced.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind weitere Sensorelemente vorgesehen, die ebenfalls den elektrischen Strom des elektrischen Leiters messen und jeweils weitere Messwerte abgeben. Diese weiteren Sensorelemente sind ebenfalls mit der Schalteinheit verbunden, die derart ausgestaltet ist, dass die weiteren Messwerte der Vergleichseinheit zugeführt werden und bei Überschreiten jeweils höherer, abgestufter weiterer Schwellwerte anstelle des jeweils niederen Messwertes der jeweils höhere Messwert am Ausgang der Schalteinheit als Ausgangssignal der Sensoreinheit abgegeben wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine noch höhere Genauigkeit der Messung erzielt werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, further sensor elements are provided which also measure the electrical current of the electrical conductor and emit additional measured values in each case. These further sensor elements are likewise connected to the switching unit, which is configured in such a way that the further measured values are supplied to the comparison unit and when higher, graduated further threshold values are exceeded in each case instead of the respectively lower measured value, the respective higher measured value is output at the output of the switching unit as an output signal of the sensor unit. This has the particular advantage that an even higher accuracy of the measurement can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sensorelemente einen Sensor und eine Aufbereitungseinheit auf. Die Aufbereitungseinheit kann den vom Sensor abgegebenen Messwert entweder verstärken und/oder Aufbereiten und/oder Normieren. Dies hat den besonderen Vorteil, dass definierte Messwerte von den Sensorelementen erhalten werden. In an advantageous embodiment of the invention, the sensor elements have a sensor and a processing unit. The conditioning unit can either amplify and / or process and / or normalize the measured value output by the sensor. This has the particular advantage that defined measured values are obtained from the sensor elements.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit eine Offset-Einheit auf, die den zweiten Messwert mit einem Offsetwert addiert und diesen als zweiten Messwert abgibt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei einem normierten zweiten Messwert der Messwert an die erwarteten Messwerte angepasst werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, the sensor unit has an offset unit which adds the second measured value with an offset value and outputs it as a second measured value. This has the particular advantage that, in the case of a normalized second measured value, the measured value can be adapted to the expected measured values.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente eine Rogowski Spule als Stromsensor. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein derartiger Stromsensor ohne magnetischen Kern auskommt, das Ausgangssignal wird nicht von Sättigungserscheinungen und Nichtlinearitäten beeinflusst und ist linear. Ferner besteht der Kern aus einem Kunststoffspritzteil, so dass die Spule an fast jede Form eines elektrischen (Primär-)Leiters angepasst werden kann. Zudem haben äußere elektromagnetische Felder nur einen geringen Einfluss. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is a Rogowski coil as a current sensor. This has the particular advantage that such a current sensor without magnetic core manages, the output signal is not affected by saturation phenomena and nonlinearities and is linear. Further, the core is made of a plastic injection molded part, so that the coil can be adapted to almost any shape of an electric (primary) conductor. In addition, external electromagnetic fields have only a small influence.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein Hall-Effekt Stromsensor. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders hohe Genauigkeit erzielt werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is a Hall effect current sensor. This has the particular advantage that a particularly high accuracy can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein Open-Loop-Hall-Effekt Stromsensor. Dies hat den besonderen Vorteil, dass diese Sensoren relativ kostengünstig sind und für große Ströme geeignet sind, derzeit wird ein Meßbereich bis etwa 30 kA abgedeckt. Ferner weisen sie eine kompakte Baugröße und einen geringen Stromverbrauch auf, was sie besonders für batteriebetriebene Anwendungen prädestiniert. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is an open-loop Hall effect current sensor. This has the particular advantage that these sensors are relatively inexpensive and are suitable for large currents, currently a range of up to about 30 kA is covered. Furthermore, they have a compact size and low power consumption, making them predestined for battery-powered applications.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein Closed-Loop-Hall-Effekt Stromsensor. Dies hat den besonderen Vorteil, dass diese Sensoren eine sehr hohe Linearität und Genauigkeit aufweisen. Ferner sind sie auch für Gleichstrommessungen geeignet. An das eingesetzte Ferritmaterial werden nicht so hohe Anforderungen gestellt, da die Linearitätsanforderungen sich auf den Bereich um den Nullpunkt beschränken und der Kern normalerweise nicht in die Sättigung kommen kann. In an advantageous embodiment of the invention one of the sensors or one of the sensor elements a closed-loop Hall effect current sensor. This has the particular advantage that these sensors have a very high linearity and accuracy. Furthermore, they are also suitable for DC measurements. The ferrite material used is not so demanding, since the linearity requirements are limited to the range around the zero point and the core normally can not get saturated.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein kombinierter Open- und Closed-Loop-Hall-Effekt Sensor, z.B. in Form eines ETA Wandlers. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein derartiger Stromsensor für Gleich- und Wechselstrom eingesetzt werden kann und eine große Bandbreite von Gleichstrom bis hin zu von derzeit 100 kHz und mehr aufweist. Ferner ist der Stromverbrauch relativ gering. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is a combined open-loop and closed-loop Hall effect sensor, e.g. in the form of an ETA converter. This has the particular advantage that such a current sensor can be used for direct and alternating current and has a wide bandwidth from direct current up to currently 100 kHz and more. Furthermore, the power consumption is relatively low.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein Stromsensor, bestehend aus mehreren Hall-Sensoren auf einer den stromführenden Leiter zumindest teilweise umgebenden Leiterplatte bzw. Printed Circuit Board, kurz PCB. Dies hat den besonderen Vorteil, dass dieser Stromsensor hinsichtlich der Bauform sehr flexibel ist. Zudem können kleine bis sehr große Meßbereiche abgedeckt werden. Ferner gibt es keine Hysterese-Effekte. Die Genauigkeit ist von der Anzahl der verwendeten Hall Sensoren abhängig. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is a current sensor, consisting of a plurality of Hall sensors on a current-carrying conductor at least partially surrounding printed circuit board or printed circuit board, PCB short. This has the particular advantage that this current sensor is very flexible in terms of design. In addition, small to very large measuring ranges can be covered. Furthermore, there are no hysteresis effects. The accuracy depends on the number of Hall sensors used.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist einer der Sensoren oder eines der Sensorelemente ein Hallsensor-System, das ein diskretes Ringintegral um den elektrischen Leiter bildet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich eine höhere Genauigkeit und geringere Störanfälligkeit bei höheren Strömen erzielen lässt. In an advantageous embodiment of the invention, one of the sensors or one of the sensor elements is a Hall sensor system which forms a discrete ring integral around the electrical conductor. This has the particular advantage that a higher accuracy and lower susceptibility to interference at higher currents can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Sensorelement einen Open-Loop-Hall-Effekt-Sensor und das zweite Sensorelement einen Stromsensor, bestehend aus mehreren Hall-Sensoren auf einer den stromführenden Leiter zumindest teilweise umgebenden Leiterplatte, auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich eine besonders hohe Genauigkeit bei der Messung geringer und auch großer Ströme erzielen lässt. In an advantageous embodiment of the invention, the first sensor element has an open-loop Hall effect sensor and the second sensor element, a current sensor consisting of a plurality of Hall sensors on a current-carrying conductor at least partially surrounding circuit board on. This has the particular advantage that a particularly high accuracy can be achieved in the measurement of small and large currents.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite Sensorelement eine Rogowski-Spule und das erste Sensorelement einen Stromsensor mit Hall-Effekt Sensoren, wie z.B. Open Loop Hall Effekt Stromsensor, Closed Loop Hall Effekt Stromsensor, kombinierter Open und Closed Loop Hall Effekt Stromsensor, Hall Sensoren auf einer den stromführenden Leiter teilweise umgebenden Leiterplatte oder ähnlich auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass sich neben unterschiedlichen Stromstärken auch Gleich- und Wechselströme erfassen lassen. In an advantageous embodiment of the invention, the second sensor element has a Rogowski coil and the first sensor element has a current sensor with Hall effect sensors, such as open loop Hall effect current sensor, closed loop Hall effect current sensor, combined Open and Closed Loop Hall effect current sensor, Hall Sensors on a circuit board partially surrounding the current-carrying conductor or the like. This has the particular advantage that in addition to different currents and DC and AC currents can be detected.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Schwellwert im Bereich des Stromreferenzwertes des Schaltgerätes, bei dem eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises des elektrischen Leiters erfolgt. Dies hat den besonderen Vorteil, dass bis zum Abschaltstrom des Schaltgerätes ein Sensorelement, das diesen Nennstrombereich gut erfasst, verwendet werden kann und im Bereich von Überlast- bzw. Kurzschlussströmen ein dafür besser geeignetes Sensorelement für höhere Ströme verwendet werden kann. In an advantageous embodiment of the invention, the first threshold value in the range of the current reference value of the switching device, in which there is an interruption of the electrical circuit of the electrical conductor. This has the particular advantage that up to the breaking current of the switching device, a sensor element that detects this rated current range well, can be used and in the range of overload or short-circuit currents a more suitable sensor element for higher currents can be used.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: An embodiment of the present invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:

1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit; 1 a block diagram of a sensor unit according to the invention;

2 ein weiteres Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit; 2 a further block diagram of a sensor unit according to the invention;

3 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit; 3 an illustration of a sensor unit according to the invention;

4 eine weiteres Blockschaltbild mit Erläuterung einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit. 4 a further block diagram with explanation of a sensor unit according to the invention.

1 zeigt eine Sensoreinheit SEN mit einem stromführenden Leiter L, die ein erstes Sensorelement S1 und ein zweites Sensorelement S2 aufweisen und den elektrischen Strom I des elektrischen Leiters L erfassen und messen können. Die Sensorelemente S1 und S2 sind mit einer Schalteinheit SE verbunden, die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes (SW1) an Stelle des ersten Messwertes der zweite Messwert am Ausgang der Schalteinheit (SE) als Ausgangssignal (A) der Sensoreinheit (SEN) abgegeben wird. 1 shows a sensor unit SEN with a current-carrying conductor L, which have a first sensor element S1 and a second sensor element S2 and can detect and measure the electric current I of the electrical conductor L. The sensor elements S1 and S2 are connected to a switching unit SE, which is configured such that when a first threshold value (SW1) is exceeded, instead of the first measured value, the second measured value at the output of the switching unit (SE) as output signal (A) of the sensor unit (SEN ) is delivered.

2 zeigt eine Sensoreinheit SEN gemäß 1, mit dem Unterschied, dass die Schalteinheit SE eine Vergleichseinheit C aufweist, dem das Signal bzw. der erste oder/und zweite Messwert des ersten bzw. zweiten Sensorelements zugeführt wird und mit einem ersten Schwellwert verglichen wird. Bei Überschreiten des Schwellwertes wird einen Umschalteinheit US angesteuert, die durch Umschaltung auf die Verbindung mit dem zweiten Sensorelement S2 umschaltet und somit an Stelle des ersten Messwertes den zweiten Messwert am Ausgang der Umschalteinheit US als Ausgangsignal der Schalteinheit (SE) und damit als Ausgangssignal (A) der Sensoreinheit (SEN) abgibt. 2 shows a sensor unit SEN according to 1 , with the difference that the switching unit SE has a comparison unit C, to which the signal or the first and / or second measured value of the first and second sensor element is supplied and compared with a first threshold value. When the threshold value is exceeded, a switching unit US is actuated, which switches by switching to the connection with the second sensor element S2 and thus instead of the first measured value, the second measured value at the output of the switching unit US as the output signal of the switching unit (SE) and thus as an output signal (A ) of the sensor unit (SEN).

3 zeigt eine Sensoreinheit SEN gemäß 1 bzw. 2, mit dem Unterschied, dass eine bildliche Darstellung für die einzelnen Einheiten, wie die Sensorelemente S1 und S2, den Leiter L usw. gewählt wurde. In 3 wird die Sensoreinheit ferner durch eine Stromversorgung mit elektrischer Energie PS versorgt. Des Weiteren ist ein Diagramm dargestellt, mit einer Y-Achse IL von 0,1 zu 1 bis 10, die den Strom des Leiters angeben soll, und einer X-Achse IA von 0,1 zu 1 bis 10, die den Messwert für den Strom am Ausgang A der Sensoreinheit SEN angeben soll. Das Diagramm soll verdeutlichen, dass in einem ersten Strombereich von 0,1 bis 1, die 1 kann hierbei beispielsweise für den Nennstrom bzw. Abschaltstrom eines Schaltgerätes stehen, das erste Sensorelement S1 den Messwert des Stromes am Ende der Sensoreinheit SEN abgibt und in einem zweiten Strombereich von 1 bis 10 das zweite Sensorelement S2 den den Messwert des Stromes am Ende der Sensoreinheit SEN abgibt. 3 shows a sensor unit SEN according to 1 respectively. 2 , with the difference that a pictorial representation for the individual units, such as the sensor elements S1 and S2, the conductor L, etc. has been selected. In 3 the sensor unit is further supplied by a power supply with electrical energy PS. Furthermore, a diagram is shown, with a Y-axis IL of 0.1 to 1 to 10, which is to indicate the current of the conductor, and an X-axis IA of 0.1 to 1 to 10, which is the measured value for the Current at the output A of the sensor unit SEN should specify. The diagram is intended to illustrate that in a first current range from 0.1 to 1, which may be, for example, the rated current or switch-off current of a switching device, the first sensor element S1 outputs the measured value of the current at the end of the sensor unit SEN and in a second current range Current range from 1 to 10, the second sensor element S2 outputs the measured value of the current at the end of the sensor unit SEN.

4 zeigt ein Blockschaltbild gemäß der vorhergehenden Figuren, mit den nachfolgenden Unterschieden. Das erste und das zweite Sensorelement S1 und S2 weisen einen Sensor TS1 bzw. TS2 auf, denen jeweils eine Aufbereitungseinheit AE1 bzw. AE2 nachgeordnet ist. Die Aufbereitungseinheiten AE1 bzw. AE2 führen jeweils eine Normierung oder/und Aufbereitung oder/und Verstärkung des Signals des jeweiligen Teilsensors TS1, TS2 durch. Dabei können beispielsweise die von den Aufbereitungseinheiten abgegeben Signale in der Höhe abweichen. Diese werden wie üblich der Umschalteinheit US und eines der Signale, in 4 das Signal des Sensors TS 1 bzw. der Aufbereitungseinheit AE1, der Vergleichseinheit V zugeführt, die in Abhängigkeit vom Erreichen eines Schwellwertes die Umschalteinheit ansteuert. Ist der Schwellwert erreicht und wird damit auf den zweiten Sensor TS2 bzw. die zweite Aufbereitungseinheit AE2 umgeschaltet, kann mit einer Offseteinheit OS ein Offset auf das Signal bzw. den Messwert des zweiten Sensors addiert werden, falls die Signale vom ersten und zweiten Sensorelement S1, S2 bzw. ersten und zweiten Sensor TS1, TS2 respektive erster und zweiter Aufbereitungseinheit AE1, AE2 für gleiche Messwerte eine unterschiedliche Höhe aufweisen, dazu addiert werden. Die Offseteinheit wird dazu zusätzlich von der Vergleichseinheit in analoger Weise wie die Umschalteinheit angesteuert. 4 shows a block diagram according to the preceding figures, with the following differences. The first and second sensor elements S1 and S2 have a sensor TS1 or TS2, to each of which a conditioning unit AE1 or AE2 is arranged downstream. The processing units AE1 and AE2 each carry out a normalization and / or processing or / and amplification of the signal of the respective partial sensor TS1, TS2. In this case, for example, the signals emitted by the processing units can deviate in height. These are as usual the switching unit US and one of the signals, in 4 the signal of the sensor TS 1 or the conditioning unit AE1, the comparison unit V supplied, which controls the switching unit in response to reaching a threshold value. If the threshold value is reached and is thus switched to the second sensor TS2 or the second conditioning unit AE2, an offset can be added to the signal or the measured value of the second sensor with an offset unit OS if the signals from the first and second sensor element S1, S2 or first and second sensor TS1, TS2 respectively first and second processing unit AE1, AE2 for the same measured values have a different height, are added to it. The offset unit is additionally controlled by the comparison unit in an analogous manner as the switching unit.

Kern der Erfindung ist, dass unterschiedliche Stromsensoren für verschiedene Strombereiche gewählt und verwendet werden, so dass eine hohe Messgenauigkeit bei minimalem Fremdfeldeinfluss erzielt wird. Ferner können so Gleichstrom- als auch Wechselstrommessungen realisiert werden. Zudem können so unterschiedliche Dynamikbereiche und Bandbreiten realisiert werden. The core of the invention is that different current sensors are selected and used for different current ranges, so that a high measurement accuracy is achieved with minimal external field influence. Furthermore, as DC and AC measurements can be realized. In addition, so different dynamic ranges and bandwidths can be realized.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit kann direkt in einem Schaltgerät, wie einem Leistungsschalter, z.B. der eingangs erwähnten Arten, integriert sein. Ferner kann sie eine elektronische Auslöseeinheit, wie eine electronic trip unit, kurz ETU, mit den Messwerten versorgen. The sensor unit according to the invention can be used directly in a switching device, such as a circuit breaker, e.g. of the types mentioned above, be integrated. Furthermore, it can supply an electronic trip unit, such as an electronic trip unit, in short ETU, with the measured values.

Im folgenden soll die Erfindung mit anderen Worten nochmals näher beleuchtet werden. In the following, the invention will be again highlighted in other words.

Aufteilung des Anforderungsprofils (Dynamikbereich) des Sensors in mindestens 2 Teilbereiche: Z.B. minimaler Stromwert bis Nennstrom, Nennstrom bis maximaler Stromwert. Somit können verfügbare Sensorkonzepte in Kombination den gewünschten Anforderungen gerecht werden, da:

– unterschiedliche Konzepte genutzt werden können (angepasst an jeweilige Vor-/Nachteile)
– ein Einzelsensor/-element einen geringeren Strombereich abdecken muss
– Fremdfeldgrößen bei hohen Primärströmen weniger Probleme machen
– flusskonzentrierende Kernmaterialien entsprechend ihren Arbeitsbereich eingesetzt werden können
– hohe Ströme (I-Auslösung bei Leistungsschaltern) nach dI/dt detektiert werden können

Distribution of the requirement profile (dynamic range) of the sensor in at least 2 sections: eg minimum current value up to rated current, rated current up to maximum current value. Thus, available sensor concepts in combination can meet the desired requirements since:

- Different concepts can be used (adapted to respective advantages / disadvantages)
- A single sensor / element must cover a lower current range
- make foreign field sizes at high primary currents less problems
- Flow concentrating core materials can be used according to their work area
- High currents (I tripping on circuit breakers) can be detected after dI / dt

Diese Sensorelemente, Sensoren bzw. Teilsensoren werden in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und elektronisch miteinander verschalten, so dass nur eine Stromversorgung erforderlich ist und Ausgangsignal abgegeben wird. These sensor elements, sensors or part sensors are housed in a common housing and interconnect electronically, so that only one power supply is required and output signal is emitted.

Die beschriebene Sensoreinheit erlaubt es, unabhängig voneinander arbeitende Sensorelemente bzw. Einzelsensoren mit verringertem Anforderungsprofil zu verwenden / entwickeln. Diese Sensoren können bei geeigneter Kombination und Auswertung die Anforderungen, z.B. an einen Niederspannungsleistungsschalters, erfüllen. The described sensor unit makes it possible to use / develop independently operating sensor elements or individual sensors with a reduced requirement profile. These sensors, with suitable combination and evaluation, can meet the requirements, e.g. to a low-voltage circuit breaker.

Die elektronische Signalverarbeitung innerhalb der Sensoreinheit reduziert den Verdrahtungs-/Anschlussaufwand auf ein Minimum und ermöglicht es, die Sensoreinheit nach „außen“ wie einen Einzelsensor handzuhaben. Auch eine elektronische Auslöseeinheit kann so mit möglichst wenig Aufwand für eine Sensorschnittstelle ausgelegt werden. The electronic signal processing within the sensor unit reduces the wiring / connection costs to a minimum and makes it possible to handle the sensor unit "outside" like a single sensor. An electronic trip unit can be designed with as little effort for a sensor interface.

Open-Loop-Hall-Effekt-Sensoren, z.B. für Sensorelement S1, sind relativ unabhängig von Fremdfeldeinflüssen und ermöglichen es, aufgrund der systembedingt flusskonzentrierenden Eigenschaften, kleinere Ströme zu erfassen. Jedoch haben Sie den Nachteil, dass nur eine mäßige Bandbreite bzgl. des zu erfassenden Strombereichs abgedeckt werden kann. Für hohe Ströme wäre eine sehr große Bauform auf Grund der magnetischen Sättigung des Kernes erforderlich. Open loop Hall effect sensors, e.g. for sensor element S1, are relatively independent of external field influences and make it possible to detect smaller currents due to the system-related flux concentrating properties. However, you have the disadvantage that only a moderate bandwidth with respect to the current range to be detected can be covered. For high currents would require a very large design due to the magnetic saturation of the core.

Im Bereich hoher (Primär-)Ströme nimmt der Einfluss von Fremdfeldern auf den gemessenen Strom ab. Hierfür würden sich Hall-Sensoren auf einer Leiterplatte PCB bzw. als diskretes Ringintegral für beispielsweise Sensorelement S2 zur Erfassung eignen. Dieses Konzept hätte den weiteren Vorteil, dass nur ein kleiner Bauraum benötigt würde (kein großer Kern für hohe Ströme). In the range of high (primary) currents, the influence of external fields on the measured current decreases. For this purpose, Hall sensors would be suitable on a printed circuit board PCB or as a discrete ring integral for, for example, sensor element S2 for detection. This concept would have the further advantage that only a small space would be required (not a large core for high currents).

Kombiniert werden die Ausgangsdaten beider Sensorelement durch eine elektronische Schaltung, die zum Beispiel mit auf der Leiterplatte des Sensorelementes mit integriert werden könnte. The output data of both sensor elements are combined by an electronic circuit, which could be integrated with, for example, on the printed circuit board of the sensor element.

Bei kleinen Strömen liegt Sensorelement S1 auf dem Ausgang der Sensoreinheit. Sobald der Ausgangswert Sensorelementes S1 eine Schwelle übersteigt, wird mittels Vergleichseinheit bzw. Komparator Sensorelement S2 auf den Ausgang geschaltet und beispielsweise zusätzlich ein Offset addiert, damit die Ausgangskennlinie der Sensoreinheit bzw. des Gesamtsensors eine, über den zu erfassenden (Primär-)Strom I kontinuierliche Ausgangsgröße aufweist. For small currents sensor element S1 is located on the output of the sensor unit. As soon as the output value sensor element S1 exceeds a threshold, sensor element S2 is switched to the output by means of comparator or comparator and, for example, an offset is additionally added so that the output characteristic of the sensor unit or of the total sensor is continuous over the (primary) current I to be detected Output size has.

Claims

Sensor unit (SEN) for a switching device, in particular for a circuit breaker, with a first sensor element (S1), which measures an electric current of an electrical conductor (L) and outputs a first measured value, characterized in that a second sensor element (S2) is provided , which also measures the electric current of the electrical conductor (L) and outputs a second measured value, that the first and the second sensor element (S1, S2) are connected to a switching unit (SE), which is designed such that the first or second Measurement value of a comparison unit (C) is supplied and when exceeding a first threshold value (SW1) instead of the first measured value, the second measured value at the output of the switching unit (SE) as

Output signal (A) of the sensor unit (SEN) is delivered. Sensor unit (SEN) according to claim 1, characterized in that the measured value output by the first sensor element (S1) or second sensor element (S2) or by the sensor unit (SEN) can be fed to an electrical switching device, and the switching device is exceeded when a current reference value (SRW) is exceeded. causes an interruption of the electrical circuit of the electrical conductor (L).

Sensor unit (SEN) according to one of the preceding claims, characterized in that a third sensor element (S3) is provided which also controls the electric current of electrical conductor (L) and outputs a third measured value that the third sensor element (S3) is connected to the switching unit (SE), which is designed such that the third measured value of the comparison unit (C) is supplied and when a higher, second threshold value instead of the second measured value, the third measured value is output at the output of the switching unit as an output signal (A) of the sensor unit (SEN).

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that further sensor elements are provided which also measure the electrical current of the electrical conductor and deliver further measured values, that the further sensor elements are connected to the switching unit, which is designed such that the further measured values of the Comparative unit are supplied and when higher, further threshold values are exceeded instead of the third measured value, the respective further measured value is output at the output of the switching unit as an output signal of the sensor unit.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (S1, S2, S3) has a sensor (TS1, TS2, TS3) and a processing unit (AE1, AE2), which from the sensor (TS1, TS2, TS3) amplified and / or processed and / or normalized.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor unit has an offset unit (OS) which adds the second measured value with an offset value.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is a Rogowski coil current sensor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is a Hall effect current sensor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) and one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is an open-loop Hall-effect current sensor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is a closed-loop Hall effect current sensor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is a combined open-loop and closed-loop Hall effect current sensor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3), a current sensor consisting of a plurality of Hall sensors on a current-carrying conductor at least partially surrounding PCB, is.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that one of the sensor elements (S1, S2, S3) or one of the sensors (TS1, TS2, TS3) is a Hall sensor system which forms a discrete ring integral around the electrical conductor.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the output (A) of the sensor unit is connected to an input of an electronic trip unit of the switching device.

Sensor unit according to one of the preceding claims, characterized in that the first threshold (SW1) is in the range of the current reference value (SRW) of the switching device, in which an interruption of the electrical circuit of the electrical conductor (L).

Method for measuring the electric current of an electrical conductor for a sensor unit, comprising a first sensor element, which measures the electrical current of the electrical conductor and emits a first measured value, characterized in that a second sensor element is provided, which also controls the electrical current of the electrical conductor measures and outputs a second measured value, that the first or the second measured value is compared with a first threshold value and when the threshold value is exceeded, the second measured value is output instead of the first measured value.