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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgung für einen Leistungsschalter, insbesondere mit einem Stromwandler, der eine Sekundärwicklung für die Energieversorgung des Leistungsschalters aufweist und dessen Primärseite durch einen Leiter des Leistungsschalters ausgebildet ist. Dieser Primärleiter ist ein Leiter eines durch den Leistungsschalter zu überwachenden Stromkreises, insbesondere Niederspannungsstromkreises. Die Erfindung betrifft ferner eine Gleichspannungsstrombegrenzung für einen elektrischen Leistungsschalter.
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Mit Niederspannung sind elektrische Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint.
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Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bezeichnet wird, wenn Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
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Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint. Mit Energieversorgung des Leistungsschalters ist insbesondere die Energieversorgung der elektronischen Auslöseeinheit gemeint.
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Mit Stromwandlern kann aus einem in einem Primärleiter fließenden Wechselstrom eine Leistung in einer umgebenden Sekundärwicklung magnetisch ausgekoppelt werden. Bei Stromwandlern handelt es sich um eine Form von Transformatoren. Ein Problem bei Stromwandlern besteht in der Tatsache, dass die Scheinleistung dieses Stromwandlers durch die Stromhöhe im Primärleiter bestimmt wird. Die sekundärseitig ausgekoppelte Leistung ist abhängig vom Strom im Primärleiter. Soll ein angeschlossener Verbraucher, wie beispielsweise eine Elektronik, z.B. eine elektronische Auslöseeinheit eines Leistungsschalters, mit Energie versorgt werden, bestimmt der Energiebedarf des Verbrauchers sowie der minimal erwartete Primärstrom die Dimensionierung des Stromwandlers (magnetisches Material, Kernquerschnitt, Windungszahl, etc.). Oberhalb des minimal erwarteten Primärstroms wird ausreichend Energie für den Verbraucher abgegeben.
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Eine spezifische Eigenschaft von Leistungsschaltern ist, dass diese vor Überlast- und Kurzschlussströmen im überwachten Stromkreis bzw. Netz schützen sollen. Daher muss beim Design der Stromwandler von einem sehr großen Primärstrombereich ausgegangen werden. Das Verhältnis zwischen erwartetem minimalen Primärstrom und maximalem Kurzschlussstrom kann mehr als 1:1000 betragen.
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In der Folge muss der Stromwandler sowie der angeschlossene Verbraucher speziell dimensioniert werden.
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Weit verbreitet ist der Einsatz von Stromwandlern mit zusätzlichem magnetischen Nebenschluss, der die Höhe des Sekundärstroms und damit die Sekundärleistung begrenzt. Die Entwicklung sowie die Fertigung solcher Wandler erfordern einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand. Weiterhin benötigt ein solcher Stromwandler einen größeren Bauraum, da neben dem magnetischen Hauptkreis ein zusätzlicher zweiter magnetischer Kreis in Form eines magnetischen Nebenschlusses vorgesehen werden muss.
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Da die Scheinleistung des Stromwandlers mit steigendem Primärstrom dennoch ansteigt, muss auf der Seite des Verbrauchers mit dieser Leistungszunahme umgegangen werden.
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Dazu wurde ferner bisher der Stromfluss im Sekundärkreis durch einen Schalter unterbrochen. Allerdings entstehen in diesem Fall sehr hohe und gefährliche induzierte Spannungen über der Sekundärwicklung, die technisch nur schwer beherrschbar sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energieversorgung von Leistungsschaltern mit Stromwandlern zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Gleichspannungsstrombegrenzung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass insbesondere bei Stromwandlern von Leistungsschaltern die sekundärseitige Wechselspannung durch einen Triac begrenzt wird, bei einer Gleichspannung durch einen Thyristor. Die Auslösung des Triac erfolgt dabei erfindungsgemäß durch eine Serienschaltung zweier Zenerdioden, insbesondere einer Serienschaltung, bei der die Katoden oder Anoden beider Zenerdioden miteinander verbunden sind. Wird die festlegbare Zenerspannung der Zener-Diode überschritten, erfolgt ein Zünden des Triac und damit eine Begrenzung der Wechselspannung.
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Bei einer Gleichspannung, beispielsweise der gleichgerichteten Spannung des Stromwandlers, wird ein Thyristor verwendet. Dessen Steueranschluss bzw. Gate ist mit einer Zenerdiode verbunden. Übersteigt die Gleichspannung die festlegbare Zenerspannung wird der Thyristor gezündet und es erfolgt eine Begrenzung der Gleichspannung.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass bei großen Primärströmen eine einfache und wirksame Begrenzung der Sekundärleistung gegeben ist, wodurch ein Verbraucher wie eine elektronische Auslöseeinheit eines Leistungsschalters wirksam geschützt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist den zwei Hauptanschlüssen des Triac ein erster Kondensator parallel geschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch den Kondensator hochfrequente Signale reduziert werden, die durch das Zünden des Triac hervorgerufen werden könnten, wodurch ein besseres EMV-Verhalten realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Parallelschaltung von Sekundärwicklung und Triac eine Induktivität auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ebenfalls eine Reduzierung von hochfrequenten Signalen in Bezug auf eine Rückkopplung und Einspeisung in das durch den Leistungsschalter überwachte Energieversorgungsnetz gegeben wird als auch das hochfrequente Signale aus dem Netz nicht zum Verbraucher gelangen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Serienschaltung mindestens zweier Zenerdioden einen ersten Widerstand auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Strombegrenzung des Einschaltstromes des Triac gegeben ist. Somit können vielfältige Triacs oder/und Zenerdioden für eine Realisierung eingesetzt werden, wobei eine individuelle Anpassung des Einschaltstromes durch den ersten Widerstand erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der steueranschlussseitige bzw. gateseitige Anschluss der Serienschaltung mit einem zweiten Kondensator verbunden, der andererseits mit dem nicht mit der Serienschaltung verbundenen Hauptanschluss des Triac verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere Reduzierung hochfrequenter Signalanteile realisiert wird, um ein besseres Verhalten der Erfindung in Hinblick auf EMV zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Hauptanschlüsse des Triac mit dem Eingangsanschlüssen eines Gleichrichters verbunden, dessen beide gleichspannungsseitigen Ausgangsanschlüsse mit einem dritten Kondensator verbunden sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Kondensator zyklisch durch die Dimensionierung der Zündspannung des Triac auf eine festlegbare Spannung aufgeladen wird, die für die Energieversorgung eines Verbrauchers, wie der elektronischen Auslöseeinheit eines Leistungsschalters, verwendet werden kann. So kann eine besonders stabile Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leistungsschalter für ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz ausgestaltet. Pro Phase sind ein Stromwandler und ein Triac vorgesehen, der Gleichrichter ist als dreiphasiger Gleichrichter ausgestaltet, mit drei Eingängen, wobei die Hauptanschlüsse des Triac jeder Phase mit dem jeweiligen Eingang des dreiphasigen Gleichrichters verbunden sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine erfindungsgemäße Energieversorgung für einen dreiphasigen Leistungsschalter zur Verfügung gestellt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für eine Gleichspannungsstrombegrenzung ist der Zenerdiode ein zweiter Widerstand in Serie geschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Strombegrenzung des Einschaltstromes des Thyristors gegeben ist. Somit können vielfältige Thyristoren oder/und Zenerdioden für eine Realisierung eingesetzt werden, wobei eine individuelle Anpassung des Einschaltstromes durch den zweiten Widerstand erfolgen kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für eine Gleichspannungsstrombegrenzung ist zwischen Gateanschluss des Thyristors und dem Minuspol ein vierter Kondensator geschaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Reduzierung hochfrequenter Signalanteile realisiert wird, um ein besseres Verhalten der Erfindung in Hinblick auf EMV zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für eine Gleichspannungsstrombegrenzung ist ein fünfter Kondensator einerseits mit dem katodenseitigen und andererseits mit dem anodenseitigen Anschluss des Thyristors verbunden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass durch den Kondensator hochfrequente Signale reduziert werden, die durch das Zünden des Thyristors hervorgerufen werden könnten, wodurch ein besseres EMV-Verhalten realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für eine Gleichspannungsstrombegrenzung ist zwischen Pluspol und Minuspol elektrisch eine Serienschaltung einer ersten Diode und eines dritten Kondensators geschaltet ist, wobei die Anode der ersten Diode mit dem Pluspol oder die Katode der ersten Diode mit dem Minuspol verbunden ist, und die Energieversorgung des Leistungsschalters durch die Spannung am dritten Kondensator zur Verfügung gestellt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der dritte Kondensator zyklisch durch die Dimensionierung der Zündspannung des Thyristors auf eine festlegbare Spannung aufgeladen wird, die für die Energieversorgung eines Verbrauchers, wie der elektronischen Auslöseeinheit eines Leistungsschalters, verwendet werden kann. So kann eine besonders stabile Energieversorgung zur Verfügung gestellt werden. Ferner verhindert die Diode ein Entladen des dritten Kondensators durch die erfindungsgemäße Schaltung / den Thyristor bzw. die Z-Dioden-Strecke.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Gleichspannungsstrombegrenzung ist das Gleichspannungsleiterpaar mit dem Ausgang eines Gleichrichters verbunden ist, der eingangsseitig mit der Sekundärwicklung eines Stromwandlers des Leistungsschalters verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Erfindung für gleichgerichtete Spannungen des Stromwandlers eines Leistungsschalters eingesetzt werden kann.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 oder 10, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung einer Energieversorgung für einen Leistungsschalter.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
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1 eine erste erfindungsgemäße Schaltung einer Energieversorgung
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2 ein Spannung/Strom-Zeit-Diagramm
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3 eine zweite erfindungsgemäße Schaltung einer Energieversorgung
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4 eine dritte erfindungsgemäße Schaltung einer Energieversorgung mit Gleichspannungsstrombegrenzung
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5 eine vierte erfindungsgemäße Schaltung einer Energieversorgung mit Gleichspannungsstrombegrenzung
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1 zeigt eine erste elektrische Schaltung einer Energieversorgung für einen elektrischen Leistungsschalter. Ein Stromwandler TX1 weist primärseitig einen Primärleiter PL auf, der Teil eines durch einen nicht dargestellten Leistungsschalter überwachten Stromkreises mit einer Energiequelle I1 ist. Der Stromwandler weist sekundärseitig eine Sekundärwicklung SW auf, die zwei oder mehr Anschlüsse aufweisen kann. An zwei Anschlüssen der Sekundärwicklung SW ist ein Triac X1 angeschlossen, der üblicherweise zwei Hauptanschlüsse T1, T2 und einen Steueranschluss G1, auch als Gateanschluss bezeichnet, aufweist. Die beiden Hauptanschlüsse T1, T2 sind mit den beiden Anschlüssen der Sekundärwicklung SW parallel geschaltet, d.h. Hauptanschluss T1 ist mit einem Anschluss der Sekundärwicklung verbunden und Hauptanschluss T2 ist mit dem anderen Anschluss der Sekundärwicklung verbunden.
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Grundsätzlich ist bei einer Parallel- bzw. Serienschaltung gemeint, dass sich auch weitere elektrische Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden, Transistoren, Thyristoren, Triacs, usw. im bzw. am Stromkreis befinden können. Diese können weitere vorteilhafte Ausgestaltungen bilden.
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Beispielsweise weist die Parallelschaltung der Sekundärwicklung SW mit dem Triac X1 eine Induktivität L1 auf, die beispielsweise zwischen dem Hauptanschluss T1 und dem Anschluss der Sekundärwicklung geschaltet ist. Diese bewirkt eine Dämpfung hoher Frequenzen, wie sie beispielsweise durch das Schaltverhalten des Triac hervorgerufen werden können, als auch im elektrischen Stromkreis der Energiequelle I1 erzeugt worden sein können. Wesentlich ist, dass die beiden Hauptanschlüsse des Triac X1 parallel zu den Anschlüssen der Sekundärwicklung SW geschaltet sind. So kann beispielsweise eine zweite, nicht dargestellte Induktivität oder Widerstand, zwischen dem zweiten Hauptanschluss T2 des Triac X1 und dem entsprechenden Anschluss der Sekundärwicklung SW geschaltet sein.
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Beispielsweise kann ferner zwischen den beiden Hauptanschlüssen T1, T2 des Triac X1 ein erster Kondensator C1 geschaltet sein, wie in 1 dargestellt. Mit dieser Parallelschaltung kann eine Reduzierung hoher Frequenzen bzw. hochfrequenter Signalanteile erreicht werden, wodurch ein besseres EMV-Verhalten realisierbar ist.
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Gemäß 1 ist am Steueranschluss G1 des Triac X1 eine Serienschaltung zweier Zenerdioden Z1, Z2 angeschlossen, die wiederum mit dem zweiten Hauptanschluss T2 des Triac X1 verbunden ist. Alternativ kann diese auch mit dem ersten Hauptanschluss T1 des Triac X1 verbunden sein. Die Serienschaltung der Zenerdioden Z1, Z2 ist derart ausgeführt, dass entweder die beiden Anoden der Zenerdioden Z1, Z2 miteinander verbunden sind, wie in 1 dargestellt, oder die beiden Katoden der Zenerdioden Z1, Z2. Die Serienschaltung kann, wie bereits grundsätzlich erwähnt, weitere Bauelemente aufweisen. In 1 weist die Serienschaltung der Zenerdioden Z1, Z2 einen ersten Widerstand R1 auf. Dieser kann sich sowohl am steueranschlussseitigen Ende der Serienschaltung, zwischen den beiden Zenerdioden, als auch, wie dargestellt, am hauptanschlussseitigen Ende der Serienschaltung befinden.
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Des Weiteren kann ein zweiter Kondensator C2 zwischen dem Steueranschluss G1 des Triac und dem nicht mit der Serienschaltung der Zenerdioden Z1, Z2 verbundenen Hauptanschluss geschaltet sein, im Beispiel gemäß 1 zum ersten Hauptanschluss T1.
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Die beiden Hauptanschlüsse T1, T2 sind mit dem Eingang eines Gleichrichters GR verbunden. Dieser kann beispielsweise durch eine Brückenschaltung bzw. Graetzschaltung ausgeführt sein, wie in 1 dargestellt. Die Ausgänge A1, A2 des Gleichrichters GR sind über einen dritten Kondensator C3 miteinander verbunden. Parallel zum dritten Kondensator C3 kann ein Verbraucher I2, wie die elektronische Auslöseeinheit eines Leistungsschalters angeschlossen sein, um die Energieversorgung für einen elektrischen Leistungsschalter zur Verfügung zu stellen.
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2 zeigt eine Darstellung eines Spannung/Strom-Zeit Diagrammes. Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t in Millisekunden ms abgebildet. Auf der vertikalen Y-Achse ist der annähernd sinusförmige Summen-Strom I in Milliampere mA in den dritten Kondensator C3 und den Verbraucher I2 sowie der Strom durch den Triac X1 abgebildet. Ferner die Spannung U in Volt über dem Kondensator C3 abgebildet.
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3 zeigt eine Schaltung gemäß 1 mit dem Unterschied, dass drei Stromwandler TX1, TX1‘, TX1“ vorgesehen sind, die jeweils einer Phase eines Dreiphasenwechselstromkreises zugeordnet sind. D.h. der Primärleiter PL, PL‘, PL“ des jeweiligen Stromwandlers TX1, TX1‘, TX1“ ist einer Phase zugeordnet. Die Sekundärwicklungen SW, SW‘, SW“ ist jeweils mit einer erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 1 verbunden. Ferner ist der Gleichrichter GR durch einen Dreiphasengleichrichter DGR ersetzt. Beispielsweise weist dieser eine Dreiphasen-Brückenschaltung auf, wie in 3 dargestellt. Die Ausgänge A1, A2 des Dreiphasengleichrichters DGR sind wiederum über den dritten Kondensator C3 miteinander verbunden. Parallel zum dritten Kondensator C3 kann wiederrum ein Verbraucher I2, wie die elektronische Auslöseeinheit eines Leistungsschalters angeschlossen sein, um die Energieversorgung für einen elektrischen Leistungsschalter zur Verfügung zu stellen.
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In 3 sind in der Serienschaltung der Zenerdioden Z1, Z2 die Katoden beider Zenerdioden miteinander verbunden.
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4 zeigt eine Schaltung einer Energieversorgung für einen Leistungsschalter mit Gleichspannungsstrombegrenzung. Gleiche Bauteile gemäß 1 haben in 4 das gleiche Bezugszeichen. Ein Stromwandler TX1 weist primärseitig einen Primärleiter PL auf, der Teil eines durch einen nicht dargestellten Leistungsschalter überwachten Stromkreises mit einer Energiequelle I1 ist. Der Stromwandler TX1 weist sekundärseitig eine Sekundärwicklung SW auf, die zwei oder mehr Anschlüsse aufweisen kann. An zwei Anschlüssen der Sekundärwicklung SW ist ein Gleichrichter GR angeschlossen. Dieser kann beispielsweise durch eine Brückenschaltung bzw. Graetzschaltung ausgeführt sein, wie in 4 dargestellt. Zwischen Sekundärwicklung SW und Gleichrichter GR kann eine Induktivität L1 geschaltet sein, beispielsweise zwischen einem Anschluss der Sekundärwicklung SW und einem Eingang des Gleichrichters GR, wie in 4 dargestellt. Analog kann beispielsweise eine zweite, nicht dargestellte Induktivität oder Widerstand, zwischen dem anderen Anschluss der Sekundärwicklung und dem anderen Anschluss des Gleichrichters geschaltet sein.
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Grundsätzlich können auch hier bei den genannten Schaltungen, wie Parallel- bzw. Serienschaltungen, weitere elektrische Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Dioden, Transistoren, Thyristoren, Triacs, usw. im bzw. am Stromkreis vorgesehen sein.
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Der positive Ausgang A1 bzw. Pluspol und der negative Ausgang A2 bzw. Minuspol des Gleichrichters GR können über einen fünften Kondensator C5 miteinander verbunden sein, wie in 4 dargestellt. Hiermit kann ein verbessertes EMV-Verhalten realisiert werden.
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Die Anode eines Thyristor Y1 ist mit dem positiven Ausgang A1 bzw. Pluspol und die Katode mit dem negativen Ausgang A2 bzw. Minuspol des Gleichrichters bzw. eines Gleichspannungsleiterpaares für die Energieversorgung des Leistungsschalters verbunden. Dieser Pfad kann einen dritten Widerstand R3 aufweisen, mit dem beispielsweise der Strom durch den Thyristor Y1 gemessen werden kann.
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Am positiven Ausgang A1 bzw. Pluspol ist die Katode einer Zenerdiode Z3 angeschlossen, dessen Anode mit dem Gate GY des Thyristors Y1 verbunden ist. Der Zenerdiode Z3 kann ein zweiter Widerstand R2 in Serie geschaltet sein. Hierdurch kann eine Strombegrenzung bzw. Einstellung eines Zündstromes des Thyristors realisiert werden.
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Zwischen Gateanschluss GY des Thyristors Y1 und dem Minuspol bzw. zweiten Ausgang A2 des Gleichrichters kann ein vierter Kondensator C4 geschaltet sein. Mit diesem kann ein verbessertes EMV-Verhalten realisiert werden und hochfrequente Anteile unterdrückt werden.
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Zwischen Pluspol und Minuspol ist eine Serienschaltung einer ersten Diode D1 und des dritten Kondensators C3 geschaltet. Die Anode der ersten Diode D1 ist mit dem Pluspol oder die Katode der ersten Diode D1 mit dem Minuspol verbunden. Die Energieversorgung eines Verbrauchers I2, wie die des Leistungsschalters, wird wiederum durch die Spannung am dritten Kondensator C3 zur Verfügung gestellt.
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5 zeigt eine Schaltung gemäß 4, mit dem Unterschied, dass drei Stromwandler TX1, TX1‘, TX1“ vorgesehen sind, die jeweils einer Phase eines Dreiphasenwechselstromkreises zugeordnet sind. D.h. der Primärleiter PL, PL‘, PL“ des jeweiligen Stromwandlers TX1, TX1‘, TX1“ ist einer Phase zugeordnet. Die Sekundärwicklungen SW, SW‘, SW“ ist jeweils mit einer erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 4 verbunden. Die Serienschaltung der ersten Diode D1 und des dritten Kondensators C3 ist durch eine Schaltung ersetzt worden, bei der die Katoden der ersten Dioden D1, D1‘, D1““ der jeweiligen phasenbezogenen Schaltungen miteinander verbunden sind, dieser Verbindungspunkt wiederum mit einem Anschluss des dritten Kondensators C3, dessen anderer Anschluss mit der Zusammenschaltung der Minuspole bzw. zweiten Ausgänge A2, A2‘, A2“ verbunden ist. In analoger Weise könnten auch die Pluspole miteinander verbunden sein und die Anoden der Dioden sind miteinander und dem dritten Kondensator C3 verbunden.
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Parallel zum dritten Kondensator C3 kann wiederrum ein Verbraucher I2, wie die elektronische Auslöseeinheit eines Leistungsschalters angeschlossen sein, um die Energieversorgung für einen Verbraucher / elektrischen Leistungsschalter zur Verfügung zu stellen.
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Die genannten Bauelemente, wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, usw. können auch in Form mehrerer Bauelemente, wie beispielsweise durch weitere Parallel/Serienschaltungen von Bauelementen realisiert sein.
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Im Folgenden soll die Erfindung bzw. Ausführungsbeispiele nochmals erläutert werden. Die Erfindung lehnt sich an das Prinzip an, die Sekundärleistung durch Kurzschließen des Sekundärstromes zu begrenzen. In 1 wird als elektronischer Bypass wird ein bidirektionaler Thyristor respektive Triac X1 eingesetzt. Dieser hat die Eigenschaft, dass er einen Stromfluss zwischen seinen beiden Hauptanschlüssen T1, T2 bei anliegender Spannung sperrt. Dieser Zustand wird durch einen kurzen Strompuls am Steueranschluss von max. 10mA beendet. Der Triac X1 zündet und lässt den Strom zwischen den Hauptanschlüssen T1, T2 fließen. Die Spannung zwischen den Hauptanschlüssen T1, T2 bricht auf ca. 0.5 bis 1.5V zusammen.
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Der Stromfluss endet periodisch durch Wechsel der Polarität im Wechselstromkreis und der Triac X1 sperrt wieder, sobald der Stromfluss den Haltestrom des Triac bzw. Thyristors unterschreitet. Der Triac X1 ist parallel zur Sekundärwicklung SW angeordnet. Die sperrende Eigenschaft des Triac X1 ermöglicht den Stromfluss über den Gleichrichter GR in den dritten bzw. Ladekondensator C3 und damit zum Verbraucher bzw. die Elektronik. Der dritte Kondensator C3 lädt sich im Laufe der Zeit auf. Parallel zur steigenden Spannung am dritten Kondensator C3 steigt auch die induzierte Spannung über der Sekundärwicklung SW. Eine Serie aus zwei sperrend angeordneten Zenerdioden Z1, Z2 trennt den Steuereingang G1 des Triac X1 von der Sekundärwicklung SW. Sobald die anliegende Spannung zwischen der Sekundärwicklung SW und dem Steuereingang G1 Zenerspannung einer Zenerdiode Z1, Z2 überschreitet, kommt es zum Stromfluss über den Steuereingang G1 und der Triac X1 zündet. Der erste Widerstand R1 in Serie zu den Zenerdioden begrenzt die Höhe des Zündstroms.
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Im gezündeten Zustand wird der Triac X1 niederohmig und begrenzt die anliegende Sekundärspannung bis auf eine Restspannung.
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Parallel dazu wird der Stromfluss in den Steuereingang G1 durch die Zenerdioden Z1, Z2 wieder unterbrochen. Der sekundäre Stromfluss wird für den Rest der Periode durch den Triac X1 kurzgeschlossen. Der Verbraucher bzw. die Elektronik wird während dieser Zeitdauer durch die im dritten Kondensator C3 gespeicherte Energie versorgt. In der Folge entlädt sich der dritte Kondensator C3. Mit dem nächsten Wechsel der Polarität im Netz sperrt der Triac X1 und die Aufladung des dritten Kondensators C3 beginnt von neuem. Aufgrund der Kopplung der Stromunterbrechung über dem Triac X1 arbeitet die Schaltung immer synchron zum Netz. Kleine Kondensatoren parallel zu den Triac bzw. Thyristoranschlüssen stabilisieren den Zündvorgang und reduzieren EMV Störungen.
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2 kann man das Einschaltverhalten bis zur Stabilisierung der Spannung über dem dritten Kondensator C3 bzw. Pufferkondensator entnehmen. Sobald ein Strom durch den Primärleiter fließt, wird eine Leistung auf der Sekundärseite des Stromwandlers SW abgegeben. In diesem Beispiel wird der dritte Kondensator C3 innerhalb der ersten vier Perioden auf die gewünschte Spannung aufgeladen. Man kann erkennen, dass der Sekundärstrom ab der zweiten Periode wiederholt zusammenbricht. Dies ist ein normales Verhalten der Stromwandler, das durch die kapazitive Last und das damit verbundene Erreichen der magnetischen Sättigung im Stromwandler hervorgerufen wird. Ab der fünften Periode ist die Spannung über dem dritten Kondensator bzw. Pufferkondensator C3 ausreichend hoch, dass der Triac X1 über die Zenerdioden Z1, Z2 am Steuereingang gezündet werden kann. Fortan kommt es mit jedem Wechsel der Polarität im Netz zum Nachladen des dritten bzw. Pufferkondensators C3. Ab dem Zündzeitpunkt wird der Sekundärstrom durch den Triac X1 kurzgeschlossen. Der sinusförmige Verlauf des Sekundärstroms über die ganze Periode zeigt, dass der Stromwandler innerhalb des linearen Bereichs arbeitet, d.h. magnetische Sättigungseffekte bleiben auf die initiale Aufladephase begrenzt.
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In 3 sind drei Schaltungen gemäß 1 kombiniert um aus einem dreiphasigen Netz die Versorgung eines Verbrauchers bzw. der Elektronik sicherzustellen. Jeder Stromwandler hat einen eigenen elektronischen Bypass. Ein Anschluss der Stromwandler bildet einen Sternpunkt. Der Sternpunkt und alle Stromwandler sind über einen Dreiphasengleichrichter auf einen gemeinsamen Pufferkondensator gekoppelt, der wiederum die angeschlossene Elektronik versorgt. Die elektronischen Bypass-Schaltungen können nahe an den Stromwandlern angeordnet werden und verhindern so, dass die Verbraucher bzw. Elektronik großen Sekundärleistungen ausgesetzt wird.
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4 zeigt eine alternative Lösung mit (unidirektionalem) Thyristor. An jedem Stromwandler TX1, TX1‘, TX1“ wird ein eigener Gleichrichter vorgesehen. Zwischen positivem und negativem Anschluss des Gleichrichters A1, A2 wird ein Thyristor Y1 angeordnet. Die Zündschaltung zum Gate GY des Thyristors besteht aus einer dritten Zenerdiode Z3 und wahlweise dem zweiten Serienwiderstand R2. Eine Entladung des dritten bzw. Pufferkondensators C3 über den Thyristor Y1 wird durch eine erste Diode bzw. Sperrdiode D1 zwischen elektronischem Bypass und dritten Kondensator C3 verhindert. Vorteilhaft kann zwischen dem Minuspol und Thyristorkathode Y1 ein Messwiderstand R3 eingefügt werden. Der Spannungsabfall über den dritten Widerstand bzw. Messwiderstand R3 kann als phasenabhängiges Strommesssignal einer Auswerteelektronik zugeführt werden, die den Stromfluss überwacht und eine Schutzfunktion des Leistungsschalters implementiert. Für diese Anwendung ist die Linearität der Stromwandler bis in einen hohen Primärstrombereich erforderlich. Stromwandler mit strombegrenzenden Eigenschaften sind hier unerwünscht. Thyristoren sind sehr robuste Leistungshalbleiter, die kurzzeitig ein Vielfaches der Dauerstromfähigkeit aushalten. Daher sind diese für die hier beschriebene Schaltung besonders geeignet.
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Im dreiphasigen Fall gemäß 5 ist für jede Phase ein elektronischer Bypass bestehend aus Gleichrichter GR, GR‘, GR“, wie ein Brückengleichrichter, und Thyristor Y1, Y1‘, Y1“ vorgesehen, wobei die negativen Potentiale aller Gleichrichter die gemeinsame Masse des Verbrauchers bzw. der Elektronik bilden und die Anschlusspunkte hinter den Sperrdioden zu dem dritten Kondensator bzw. gemeinsamen Pufferkondensator C3 vor dem Verbraucher bzw. der Elektronik zusammengeführt werden. Da jeder elektronische Bypass beispielsweise einen eigenen dritten Messwiderstand R3, R3‘, R3“ implementiert, können die Ströme aller Phasen separat verfolgt und überwacht werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
