DE102016216321A1 - Schaltvorrichtung und Verfahren zum Schalten eines Stromes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Schalten eines Stroms, welche mit einem Phasenleiter (L) und einem in dem Phasenleiter (L) angeordneten Schalter (21, 22) zum Schalten einer Stromübertragung über den Phasenleiter (L) gebildet ist. Zudem sind ein Schaltkreis (1) für die Ableitung eines Prüfstroms (Ip) von dem Phasenleiter (L) über einen Erdleiter (PE), eine Erfassungsvorrichtung (2) zur Detektion des Prüfstroms (Ip) und eine Auswertevorrichtung (3) zur Auswertung des detektierten Prüfstroms (Ip) vorgesehen. Mittels einer Steuerungsvorrichtung (4) wird Schließen des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters (21, 22) gesteuert. Die Auswertevorrichtung (3) ist dafür ausgestaltet, bei einem Wechselstrom einen Nulldurchgang zu detektieren und die Steuervorrichtung (4) ist dafür eingerichtet, nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Phasenleiter (L) angeordneten Schalters (21, 22) zu veranlassen. Die Erfindung verringert Abnutzung bzw. Verschleiß des Schalters (21, 22) durch Kurzschlussströme beim Einschalten.

Description

  • Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schalten eines Stromes.
  • Geräte mit Schaltkontakten, wie z.B. Schütze oder Relais, können hohen Kurzschlußströmen ausgesetzt sein, durch welche die Schaltkontakte stark belastet werden. Im ungünstigsten Fall können diese Kurzschlußströme zu Kontaktverschweißern führen, d.h. zur Beschädigung der Geräte.
  • Derzeit werden Kontakte daher entsprechend dimensioniert, um definierten Kurzschlußströmen für eine bestimmte Lebensdauer bzw. Schaltzahl standzuhalten. Diese Dimensionierung erhöht sowohl die Größe des Gesamtgeräts als auch die Kosten, da spezielle Materialien bzw. eine größere Materialdicke für die Kontakte verwendet werden müssen, um das Verschweißen der Kontakte zu vermeiden.
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, den Schutz von Schaltvorrichtungen im Hinblick auf durch Kurzschlußströme hervorgerufene Defekte zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Schaltvorrichtung zum Schalten eines Stromes nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zum Schalten eines Stroms mit einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung nach Anspruch 11 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird eine Schaltvorrichtung zum Schalten eines Stroms vorgeschlagen, welche beispielsweise Bestandteil einer Ladevorrichtung für Elektrofahrzeuge ist. Diese Schaltvorrichtung umfasst einen oder mehrere (häufig drei) Phasenleiter und meist auch einen Neutralleiter.
  • Im Folgenden wird die Erfindung der Einfachheit halber für eine Ausgestaltung mit einem Phasenleiter beschrieben; Lösungen mit einer Mehrzahl von Phasenleiter sind aber genauso Gegenstand der beanspruchten Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist in dem Phasenleiter der Schaltvorrichtung ein Schalter (z.B. Relais, Schütz) eingebracht bzw. eingeschleift, welcher zum Schalten einer Stromübertragung über den Phasenleiter dient. Zudem ist ein (evtl. zuschaltbar ausgestalteter) Schaltkreis zur Ableitung eines Prüfstroms von dem Phasenleiter über einen Erdleiter vorgesehen. Dabei ist vorzugsweise die Stromstärke bzw. Amplitude des Prüfstroms klein im Vergleich zur Stromstärke bzw. Amplitude des durch die Schaltvorrichtung geschalteten Stroms (z.B. wäre ein Wert von 1 bis 2 mA für die Amplitude des Prüfstroms eine geeignete Wahl).
  • Die Schaltvorrichtung umfasst eine Erfassungsvorrichtung (welche z.B. mit einem Optokoppler oder einem Stromwandler gebildet ist; in letzterem Fall evtl. auch als Teil eines Summenstromwandlers für eine Fehlerstromschutzschalter) zur Detektion des Prüfstroms. Weitere Elemente sind eine Auswertevorrichtung zur Auswertung des detektierten Prüfstroms und eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Öffnens und Schließens des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters. Dabei können Auswertung, Steuerung und ggf. Überwachung in demselben Modul bzw. derselben Einheit realisiert sein, z.B. können die Funktionen der Auswertevorrichtung und der Steuerungsvorrichtung in einem Mikrokontroller bereitgestellt werden. Erfindungsgemäß ist die Auswertevorrichtung dafür ausgestaltet, bei einem Wechselstrom einen Nulldurchgang zu detektieren. Die Steuervorrichtung ist dafür eingerichtet, nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters zu veranlassen. Zudem kann ein evtl. in dem Erdleiter angeordneter Schalter parallel geschlossen werden. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, weitere Phasenleiter, einen Erdleiter bzw. einen Neutralleiter mittels Schalten zeitgleich zu schließen.
  • Die Schaltung während des Nulldurchgangs erniedrigt die Belastung des Schalters im Fall eines Kurzschlusses. Die Defektwahrscheinlichkeit wird somit deutlich reduziert.
  • Vorzugsweise sind der Schaltkreis, die Erfassungsvorrichtung und die Auswertevorrichtung Bestandteile einer Einrichtung zur Erkennung eines Schutzleiterzustandes (z.B. der Durchgängigkeit der Erdleitung).
  • Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Schaltvorrichtung einen Neutralleiter und der Schaltkreis ist mit dem Neutralleiter zwecks Ableitung des Prüfstroms mittels Phasenleiter und Neutralleiter verbunden.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist die Auswertevorrichtung dafür ausgestaltet, bei einem Wechselstrom die Periode zu ermitteln und einen Nulldurchgang vorauszuberechnen. Zudem ist die Steuervorrichtung dafür ausgestaltet, nach Maßgabe des Zeitpunkts eines vorausberechneten Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters zu veranlassen.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schalten eines Stroms mit einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung. Bei dem Verfahren wird ein Prüfstrom erfasst, der erfasste Prüfstrom ausgewertet und dabei bei einem Wechselstrom ein Nulldurchgang detektiert und nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen eines in einem Phasenleiter angeordneten Schalters veranlasst.
  • Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • 1: den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung,
  • 2: den prinzipiellen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 3: eine Ausgestaltung einer Erdleitungsüberwachung, welche für die Erfindung verwendet werden kann,
  • 4: eine alternative prinzipielle Ausgestaltung einer Erdleitungsüberwachung,
  • 5: eine weitere prinzipielle Ausgestaltung einer Erdleitungsüberwachung und
  • 6: eine Schutz- und Überwachungseinheit eines Ladekabels mit erfindungsgemäßer Schaltvorrichtung.
  • In 1 ist ein prinzipieller Aufbau für eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung gezeigt. In der Figur sind ein Phasenleiter L, ein Neutralleiter N und ein Erdleiter PE gezeigt, welche für eine Energie- bzw. Stromversorgung mittels Schaltern 21, 22 bzw. 23 geschaltet werden können. Bei einem Schließen der Schalter 21–23 können Kurzschlußströme auftreten, die zu einer Beschädigung der Schalter führen können (typischerweise Verschweißen der Schalter). Es ist eine Schaltung 1 vorgesehen, mittels welcher ein Teststrom aus dem Phasenleiter L und dem Neutralleiter N entnommen bzw. abgeleitet wird. Dabei wäre es denkbar, den Strom allein aus dem Phasenleiter L abzuleiten; die Verwendung beider Leiter L und N hat den Vorteil, dass auch Stecker verwendet werden können bei denen L und N nicht fest vorgegeben sind (Nema 115, CEE 7/16 Eurostecker, CEE 7/4 Schukostecker. Der durch die Schaltung 1 abgeleitete Prüfstrom wird durch eine Erfassungsvorrichtung bzw. Detektionsvorrichtung 2 erfasst und an eine Auswertevorrichtung 3 weitergeleitet. Diese Auswertevorrichtung 3 ist typischerweise Bestandteil einer für Steuer- und Kontrollaufgaben vorgesehenen Recheneinheit 10, z.B. eines Mikrokontrollers. Im vorliegenden Fall ist in der Recheneinheit 10 auch eine Steuerungsfunktion bzw. Steuerungsvorrichtung 4 integriert, welche Steuerbefehle für einen Schaltkreis 5 zum Öffnen bzw. Schließen der Schalter 21 bis 23 bereitzustellt. Der Prüfstrom fließt über den Erdleiter PE. Dabei kann optional ein Schalter 6 vorgesehen sein, durch welchen der Prüfstromschaltkreis geschlossen wird. Dieser Schalter 6 kann auch durch die Recheneinheit 10 gesteuert sein (in der Figur nicht dargestellt). Es wird hierbei davon ausgegangen, dass über die Leiter ein Wechselstrom übertragen wird. Dieser Strom ist im Wesentlichen sinusförmig und durchfährt demnach, je nach Netzfrequenz, einen Punkt, an welchem die Spannung gleich Null ist. Der Prüfstrom und damit dieser Null-Durchgang werden mittels der Detektions- bzw. Erkennungsvorrichtung 2 erfasst, und es wird an die Auswerteeinheit 3 ein Signal weitergegeben, welches der detektierten Stromstärke entspricht.
  • Sollen die Schaltkontakte zugeschaltet werden, wird die detektierte Spannung durch die Auswerteeinheit 3 auf einen Null-Durchgang hin ausgewertet. Wird ein Null-Durchgang erkannt, sendet die Steuereinrichtung 4 ein Signal an den Schaltkreis 5, durch welchen das Schließen der Schalter 21 bis 23 bewirkt wird. Somit können die Schaltkontakte so gesteuert werden, dass diese zum Zeitpunkt eines Spannungsnull-Durchganges bzw. kurz darauf oder davor schalten. Ein auftretender Kurzschluss würde aufgrund der geringen Spannung während des Schaltvorganges (Schaltvorgang bei Null-Durchgang) ebenfalls auf nahezu null gehalten werden. Dies schont die Schaltkontakte und verhindert Kontaktverschweißdefekte. Wenn die Verzögerung durch die Detektion des Nulldurchgangs und die Signalisierung für das Schließen der Schalter signifikant ist, so dass die Stromstärke beim tatsächlichen Schaltzeitpunkt sich merklich von null unterscheidet, kann durch Auswertung des Prüfsignals der Zeitpunkt eines zukünftigen Nulldurchgangs durch die Recheneinheit 10 vorausberechnet und entsprechend geschaltet werden.
  • In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch gezeigt. Eine Schaltvorrichtung steht für einen Einsatz bzw. ein Durchschalten eines Stromes bereit (Schritt a). Wenn nun ein Schalten erforderlich ist (Schritt b), wird eine erfindungsgemäße Festlegung des Schaltzeitpunktes vorgenommen. Dazu wird der Prüfstrom Ip erfasst, ggf. nach Zuschaltung des Prüfstromkreises durch einen dafür vorgesehenen Schalter (in 1 Schalter 6, welcher dort ggf. auch durch die Rechenvorrichtung 10 gesteuert wird). Dieser Prüfstrom Ip wird dann im Schritt d ausgewertet und dabei auf einen Null-Durchgang hin untersucht (Schritt e). Wird nun in Schritt f ein Null-Durchgang detektiert, wird schließlich in Schritt g der Schaltvorgang bzw. das Durchschalten des Stroms ausgelöst.
  • Vorzugsweise wird bei der Erfindung eine Schaltung verwendet, die bereits für die Überwachung der Durchgängigkeit einer vorhandenen Erdleitung vorgesehen ist, wobei zur Überwachung der Erdleitung von der Phasenleitung ein Prüfstrom auf die Erdleitung aufgebracht wird. Das Benutzen einer bereits vorhandenen Erdleiterüberwachung, wie sie für einige elektrische Geräte, wie beispielsweise ein Ladekabel für Elektrofahrzeuge, gefordert wird, kann also dazu benutzt werden, Schaltgeräte mit kontrollierter Energie zu schalten.
  • Schematische Darstellungen von einer Erdleiterüberwachung welche für den Erfindungsgegenstand herangezogen werden können, sind in den 3 bis 5 dargestellt. Weitere Schaltungen, die zu einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung weitergebildet werden können und welche der Überwachung oder Erkennung eines Schutzleiterzustandes dienen, sind in den Druckschriften DE 20 2012 012 590 U1 , EP 0806825 A2 und DE 196 01 880 A1 beschrieben.
  • In 3 ist schematisch eine Erdleiterüberwachung gezeigt. Wieder sind drei Leiter, ein Phasenleiter P, ein Neutralleiter N und ein Erdleiter PE, gezeigt, welche über eine Steckdose S an das Stromnetz angeschlossen sind. Aus dem Phasenleiter P und dem Neutralleiter N wird mittels einer Schaltung, welche die Widerstände R1, R2 und R3 umfasst, ein Strom abgeleitet, welcher mittels eines Stromsensors 2, der mit einem Optokoppler gebildet ist, detektiert wird.
  • In 4 ist eine weitere Schaltung angegeben, bei der die Schaltung zur Abzweigung eines Prüfstroms mit Kondensatoren C1, C2 und C3 gebildet wird. Der Stromsensor ist in diesem Fall mit Hilfe eines Wandlers 2 realisiert. Bei dieser zweiten Variante ist auch möglich, dass der Wandler Teil eines Summenstromwandlers ist, welcher häufig schon im Rahmen von Fehlerstrom-Schutzschaltungen vorgesehen ist. In der 5 ist ein Summenstromwandler 2 gezeigt, der mittels Sekundärwicklungen 25 mit einer Auswerteelektronik 3 verbunden ist. Wenn nun in dem mittels einer Schleife in den Wandler 2 eingeführten Erdleiter PE ein Prüfstrom fließt, wird dieser detektiert und mittels der Sekundärwicklungen 25 an die Auswerteeinheit 3 weitergegeben. Die Schaltung zur Abzweigung von Energie ist in diesem Falle mittels vier Dioden D1, D2, D3, D4 und einem Widerstand R gebildet.
  • Ein Anwendungsgebiet ist die Integration einer erfindungsgemäßen Schaltung in eine Steuer- und Schutzeinheit, wie sie als Bestandteil eines Ladekabels verwendet wird. Dies ist in 6 gezeigt. In der Figur ist eine derartige Einheit, welche auch als „In-cable-Control and Protecting Device“ (IC-CPD) bezeichnet wird, dargestellt. Durch die Einheit sind ein Phasenleiter L, ein Neutralleiter N und ein Erdleiter PE geführt. Diese werden auf der einen Seite 34 mit einer hausseitigen Installation zur Energieversorgung bzw. dem Stromnetz eines Hauses verbunden. Auf der anderen Seite wird mittels des Ladekabels eine Verbindung 32 mit einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Automobil bzw. Fahrzeug hergestellt. Die Einheit zur Steuerung und zum Schutz hat als zentrale Rechenkomponente einen Mikrokontroller 10. Zum Schutz vor Fehlerströmen wird ein Summenstromwandler 35 verwendet, mit dem ein RCD 36 angesteuert wird. Es ist eine Schaltung vorgesehen, welche sowohl der Erdleiterdetektion als auch einer erfindungsgemäßen Steuerung des Schaltzeitpunkts dient. Diese ist mit den Bezugszeichen 1 und 2 gekennzeichnet. Ebenfalls ist ein vom Mikrokontroller 10 gesteuerter Schaltkreis 5 zum Schließen bzw. Öffnen der Relais 21, 22 und 23 dargestellt. Dabei werden die Relais 21, 22 und 23 mittels elektromechanischer Antriebe A1, A2 und A3 in die verschiedenen Zustände (geöffnet bzw. geschlossen) bewegt. Ebenfalls eingezeichnet ist ein Modul 33 zur Kommunikation mit dem elektrischen Fahrzeug. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird hier die Belastung der Relais 21 bis 23 beim Einschalten deutlich reduziert, weil bei einem Null-Durchgang des Wechselstromes auch Kurzschlüsse entsprechend gering sind. D.h. für einen auftretenden Kurzschlußstrom wird aufgrund der geringen Spannung während eines Null-Durchgangs eines Schaltvorgangs die Energie ebenfalls auf nahezu Null reduziert. Somit sind die Schaltkontakte geschont und Kontaktschweißen kann ohne teure Kontaktmaterialien verhindert werden. In dem Ausführungsbeispiel wird ein Mikrokontroller benutzt, um im Rahmen eines vorhandenen Erdleiterüberwachungssignals den Zeitpunkt eines Schaltvorgangs entsprechend zu steuern. Die erforderliche Auswerteeinheit kann aber auch anders als mittels eines Mikrokontrollers realisiert werden. Dies gilt ebenfalls für die Funktion, die Schaltkontakte mittels eines einfachen weiteren Signals im Spannungsnull-Durchgang anzusteuern.
  • Die Erfindung wurde obenstehend für ein Ladekabel näher beschrieben. Es ist aber sehr viel breiter einsetzbar. Ebenso kann die konkrete Konstellation bezüglich der Leiter von dem im Ausführungsbeispiel gezeigten Situation abweichen, insbesondere kann auch eine Mehrzahl von Phasenleitern vorgegeben sein, aus denen dann zusammen oder einzeln Prüfströme abgeleitet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202012012590 U1 [0027]
    • EP 0806825 A2 [0027]
    • DE 19601880 A1 [0027]

Claims (12)

  1. Schaltvorrichtung zum Schalten eines Stroms, mit – einem Phasenleiter (L), – einem in dem Phasenleiter (L) angeordneten Schalter (21, 22) zum Schalten einer Stromübertragung über den Phasenleiter (L), – einem Schaltkreis (1) für die Ableitung eines Prüfstroms (Ip) von dem Phasenleiter (L) über einen Erdleiter (PE), – eine Erfassungsvorrichtung (2) zur Detektion des Prüfstroms (Ip), – eine Auswertevorrichtung (3) zur Auswertung des detektierten Prüfstroms (Ip), – eine Steuerungsvorrichtung (4) zur Steuerung des Öffnen und Schließens des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters (21, 22), wobei – die Auswertevorrichtung (3) dafür ausgestaltet ist, bei einem Wechselstrom einen Nulldurchgang zu detektieren, und – die Steuervorrichtung (4) dafür ausgestaltet ist, nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Phasenleiter (L) angeordneten Schalters (21, 22) zu veranlassen.
  2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem der Erdleiter (PE) ein Schalter (23) angeordnet ist, und – die Steuervorrichtung (4) dafür ausgestaltet ist, nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Erdleiter (PE) angeordneten Schalters (23) zu veranlassen.
  3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (1), die Erfassungsvorrichtung (2) und die Auswertevorrichtung (3) Bestandteile einer Einrichtung zur Erkennung eines Schutzleiterzustandes sind.
  4. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Schaltvorrichtung einen Neutralleiter (N) umfasst, und – der Schaltkreis (1) mit dem Neutralleiter (N) zwecks Ableitung des Prüfstroms mittels Phasenleiter (P) und Neutralleiter (N) verbunden ist.
  5. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des Prüfstroms (Ip) klein im Vergleich zur Stromstärke des durch die Schaltvorrichtung geschalteten Stroms ist.
  6. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (2) mit einem Optokoppler oder einem Stromwandler gebildet ist.
  7. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertevorrichtung (3) mit Hilfe eines Mikrokontrollers (10) realisiert ist.
  8. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (4) mit Hilfe eines Mikrokontrollers (10) realisiert ist.
  9. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mit einer Mehrzahl von einem Schalter versehenen Leitern gebildet ist, und – die Steuervorrichtung (4) dafür ausgestaltet ist, nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Öffnen oder Schließen der Schalter der Mehrzahl von Leitern zu veranlassen.
  10. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Auswertevorrichtung (3) dafür ausgestaltet ist, bei einem Wechselstrom die Periode zu ermitteln und einen Nulldurchgang vorauszuberechnen, und – die Steuervorrichtung (4) dafür ausgestaltet ist, nach Maßgabe des Zeitpunkts eines vorausberechneten Nulldurchgangs ein Schließen des in dem Phasenleiter angeordneten Schalters (21, 22) zu veranlassen.
  11. Schaltvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung Bestandteil eines Ladekabels ist.
  12. Verfahren zum Schalten eines Stroms mit einer Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem – ein Prüfstrom (Ip) erfasst wird, – der erfasste Prüfstrom (Ip) ausgewertet und dabei bei einem Wechselstrom ein Nulldurchgang detektiert wird, und – nach Maßgabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs ein Schließen eines in einem Phasenleiter angeordneten Schalters (21, 22) veranlasst wird.
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