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Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises bei Überschreitung von Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten und ein Verfahren für einen Leistungsschalter.
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Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. 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 Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die eingestellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. 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.
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 Niederspannung sind insbesondere Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 25 Volt oder 50 Volt Wechselspannung sowie 60 Volt oder 120 Volt Gleichspannung sind.
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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.
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Bei zu hohem Stromfluss unterbrechen Leistungsschalter den Stromkreis gemäß ihrer Schutzparameter bzw. Ansprechwerte. Die Schutzparameter bzw. Ansprechwerte sind im Wesentlichen die Höhe des Stromes und die Zeit nach der ein Unterbrechen des Stromkreises bei andauernd „hohem“ Stromfluss erfolgen soll. Im Unterschied zu einer Sicherung sind diese Schutzparameter bzw. Ansprechwerte bei einem Leistungsschalter einstellbar, beispielsweise mittels der elektronischen Auslöseeinheit. Diese ist üblicherweise über die Front des Leistungsschalters zugänglich angebracht. Die Schutzparameter sind hierüber einstellbar bzw. parametrierbar.
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Ferner offenbart die
DE 692 06 098 T2 einen elektronischen Auslöser mit lokalen den Fehler anzeigenden Mitteln. Die
US 2013/0329331 A1 offenbart ein drahtloses Schaltungszweig-Energieüberwachungssystem. Die
US 2015/0270083 A1 offenbart eine Auslösemanagementeinheit für eine elektronische Auslösevorrichtung. Die
WO 2008/132058 A1 offenbart eine Backup-Energiequelle in einer Steuereinheit eines Leistungsschalters. Die
DE 690 25 312 T2 offenbart ein rechnergesteuertes Schutzschalterauslösesystem mit zuverlässiger Zustandsanzeige. Die
DE 697 31 330 T2 offenbart einen Differentialschutz. Die
DE 197 44 207 A1 offenbart einen Überstromauslöser mit energieabhängiger Steuerung der Anzeigeeinheit. Die
DE 100 10 924 A1 offenbart eine elektronische Schnell-Start-Schaltung. Die
GB 2 288 293 A offenbart einen Leistungsschalter.
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Schließlich offenbart die
DE 10 2007 047 166 A1 eine Steuerung der Anzeigehintergrundbeleuchtung bei einem Leistungsschalter.
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Bei heutigen Leistungsschaltern steht insbesondere die Energieeffizienz im Fokus. Ferner ändern sich die vorhandenen Niederspannungsstromkreise dahingehend, dass insbesondere durch vorhandene Umrichter ein erhöhter Oberschwingungsanteil im Niederspannungsnetz vorhanden ist. Die Spannung bzw. der Strom weisen mittlerweile keine Frequenz von 50 Hz auf bzw. viel Energie ist in höheren Frequenzen enthalten.
Dies führt zu dem Problem, dass die vorhanden Energiewandler in einem Leistungsschalter für die Energieversorgung desselben je nach vorhandenem Netz weniger Energie liefern. Größere Wandler könnten mehr Energie liefern, allerdings werden dann die Leistungsschalter größer, was nicht erwünscht ist. Neuere Energiewandler, insbesondere auch für höhere Frequenzen, liefern allerdings insbesondere im niedrigen Primärstrombereich erheblich weniger Energie für Energieversorgung des Leistungsschalters, insbesondere für die elektronische Auslöseeinheit, respektive Steuerungseinheit, im Vergleich zu den bisher verwendeten frequenzempfindlichen Energiewandlern.
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Daher ergibt sich ein Problem bei der Energieversorgung eines Leistungsschalters.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere die Energieversorgung auch sicherzrustellen, spezieller die Funktionalität auch bei netzbedingt geringer Energieversorgung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter oder ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises vorgesehen:
- - mit mindestens einer Sensoreinheit zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des elektrischen Stromkreises, insbesondere aller Phasenleiter bzw. zusätzlich des Neutralleiters, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Rogowskispulen mit einer zugeordneten Meßwertaufbereitung, die beispielsweise einen Analog-DigitalUmsetzer oder/und ein Tiefpassfilter aufweist,
- - mit einem Energiewandler zur Energieversorgung des Leistungsschalters, dessen Primärseite durch mindestens einen Leiter oder Leiterteilstrom (ein Leiterteilstrom fließt auf der Primärseite) gebildet ist und dessen Sekundärseite mit einem Netzteil verbunden ist, dabei kann beispielsweise der Leiter direkt die Primärwicklung des Energiewandlers bilden,
- - mit einer mit dem Netzteil und der Sensoreinheit verbundenen Steuerungseinheit des Leistungsschalters, die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung von Stromgrenzwerten oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, die Auslösegründe sind, eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst wird, dabei können die Auslösegründe beispielsweise ein Auslösen auf Grund eines Kurzschlusses; ein Auslösen auf Grund eines sehr hohen Stromes, der für eine erste kurze Zeitspanne vorliegt; ein Auslösen auf Grund eines hohen Stromes, der für eine zweite längere Zeitspanne vorliegt; o.ä. sein,
- - mit einer mit der Steuerungseinheit verbundenen Zeitzählerfunktion, die eine Zeit seit der Unterbrechung des elektrischen Stromkreises ermittelt, so dass beispielsweise nach Unterbrechung, respektive Auslösung des Leistungsschalters, die Zeit seit der Auslösung abfragbar ist,
- - mit einem mit der Steuerungseinheit verbundenen Auslösegrundspeicher, der den Grund für die Unterbrechung des elektrischen Stromkreises speichert,
- - mit einer mit dem Auslösegrundspeicher verbundenen Auslösegrundanzeige, die eine Anzeige des Auslösegrundes ermöglicht, so dass eine Anzeige des Auslösegrundes nach einer Auslösung des Leistungsschalters abfragbar ist, insbesondere im ausgelösten Zustand,
- - dass ein mit dem Netzteil verbundenes kapazitives Energiespeicherelement vorgesehen ist, dass die Zeitzählerfunktion, den Auslösegrundspeicher und die Auslösegrundanzeige im Falle der Unterbrechung des elektrischen Stromkreises mit Energie versorgen kann, d.h. wenn die Steuerungseinheit nicht mehr durch das Netzteil mit Energie versorgt wird,
- - dass zwischen Netzteil und Energiespeicherelement eine Energieflusssteuerung vorgesehen ist, die mit der Steuerungseinheit verbunden ist.
Die Energieflusssteuerung kann beispielsweise ein Schalter sein, wie ein elektromechanischer oder elektronischer Schalter, der den Energiefluss zum Energiespeicherelement steuert. Ein kapazitives Energiespeicherelement benötigt im ungeladenen Zustand eine sehr große Energiemenge. Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann der Energiefluss zu diesem Element gesteuert werden. Insbesondere wird nur dann Energie dem kapazitiven Energiespeicherelement zugeführt, wenn genügend Energie vom Energiewandler bzw. Netzteil zur Verfügung gestellt wird. So kann sichergestellt werden, dass auch bei niedriger zur Verfügung stehender Energie die Schutzfunktionen des Leistungsschalters zur Verfügung stehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass das Energiespeicherelement mittels der Energieflusssteuerung nur dann Energie vom Netzteil erhält, wenn der Energiewandler eine Energiemenge bereit stellt, die einen ersten Energieschwellwert überschreitet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit der Energieflusssteuerung gegeben ist, da nur ein Schwellwertvergleich durchgeführt werden muss.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Energiemenge eine berechnete Energiemenge, die insbesondere in der Steuerungseinheit berechnet wird.
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Aus der Höhe des ermittelten Stromes und einem Übertragungsfaktor des Energiewandlers, d.h. z.B. bei welchem Primärstrom mit welchem Sekundärstrom zu rechnen ist, kann die Energiemenge berechnet werden.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Realisierung und Energiemengenermittlung ermöglicht wird, da lediglich mit dem ohnehin zu ermittelnden Primärstrom und einem wandlerabhängigen Übertragungs- bzw. Umrechnungsfaktor die Höhe der sekundären Energie ermittelt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt die Sensoreinheit die Frequenz des elektrischen Stromes der Leiter des elektrischen Stromkreises.
Dazu kann aus der Höhe des ermittelten Stromes, dessen Frequenz und einem frequenzabhängigen Übertragungsfaktor des Energiewandlers die Energiemenge berechnet wird.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine genaue Ermittlung der sekundären Energiemenge, d.h. der dem Leistungsschalter zur Verfügung stehenden Energie, ermöglicht wird, insbesondere auch dann, wenn die Netze hohe Oberschwingungsanteile aufweisen. Gegebenenfalls kann für jeden Oberschwingungs- oder Frequenzanteil eine Berechnung durchgeführt werden, so dass sich eine noch genauere Ermittlung der Energiemenge ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Energiespeicherelement und Auslösegrundanzeige eine Regeleinheit vorgesehen.
Die Regeleinheit kann derart ausgestaltet sein, dass, insbesondere im Falle der Energieversorgung der Zeitzählerfunktion und des Auslösegrundspeichers durch den Energiespeicher, eine Energieversorgung der Auslösegrundanzeige nur dann erfolgt, wenn das Energiespeicherelement eine Energiemenge aufweist bzw. bereitstellt, die einen zweiten Energieschwellwert überschreitet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass Energie für nicht immer erforderliche Funktionen, wie der Auslösegrundanzeige, nur dann zur Verfügung steht, wenn genügend Energie zur Verfügung steht. Andererseits steht Energie für, im ausgelösten Zustand erforderliche Funktionen, wie der Zeitzählerfunktion, immer zur Verfügung, bzw. so lange, wie das Energiespeicherelement noch Energie aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Stromkreis ein Dreiphasen-Wechselstromkreis bzw. der Leistungsschalter ein Luftleistungsschalter.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass für diese Netze oder Leistungsschalter auch bei stark oberschwingungsbehaften Netzen, wie durch Umrichter bedingt, ein effiziente und sichere Energieversorgung sicher gestellt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiespeicherelement ein Doppelschichtkondensator.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass beispielsweise nur ein (voluminöser) Doppelschichtkondensator in einem Leistungsschalter verwendet werden muss, auch wenn mehrere Funktionen zur Verfügung gestellt werden, die nach dem Auslösen eines Leistungsschalters, ggfs. mit unterschiedlichen Prioritäten, abfragbar sein sollen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Leistungsschalter eine Unterbrechungseinheit auf, die mit der Steuerungseinheit verbunden ist, die die Leiter des elektrischen Stromkreises unterbrechen kann.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine kompakte Lösung eines Leistungsschalters mit allen Funktionseinheiten gegeben ist.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein korrespondierendes Verfahren für einen Leistungsschalter für einen elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises vorgeschlagen, bei dem:
- - der Strom mindestens eines elektrischen Leiter ermittelt wird,
- - aus dem ermittelten Strom und einem Übertragungsfaktor eines Energiewandlers zur Energieversorgung des Leistungsschalters eine Energiemenge berechnet wird,
- - die berechnete Energiemenge mit einem ersten Energieschwellwert verglichen wird und nur bei Überschreitung des ersten Energieschwellwertes ein Energiespeicherelement geladen wird.
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Das Energiespeicherelement kann zur Energieversorgung von Funktionen des Leistungsschalters verwendet werden, wenn der Leistungsschalter den elektrischen Stromkreis unterbrochen hat.
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Als Funktion kann eine Auslösegrundanzeige vorgesehen sein, bei einer Anzeige des Auslösegrundes im unterbrochenen Zustand des Leistungsschalters wird die Energiemenge des Energiespeicherelementes mit einem zweiten Energieschwellwert verglichen und nur bei einer Überschreitung des zweiten Energieschwellwertes erfolgt eine Anzeige des Inhalts des Auslösegrundspeichers.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 13, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Leistungsschalters.
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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:
- 1 eine erste Darstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 2 eine zweite Darstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 3 ein erstes Ablaufdiagram eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 ein zweites Ablaufdiagram eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Erfindung, die einen Teil eines Leistungsschalters LS zeigt, wobei verschiedene Einheiten eines Leistungsschalters dargestellt sind. 1 zeigt elektrische Leiter L1, L2, L3 eines elektrischen Stromkreises, beispielsweise einen Dreiphasen-Wechselstromkreises, wobei der erste Leiter L1 die erste Phase, der zweite Leiter L2 die zweite Phase und der dritte Leiter L3 die dritte Phase des Dreiphasen-Wechselstromkreises bildet. Es können ferner noch ein Neutralleiter und ein Schutzleiter vorgesehen sein.
Im Beispiel gemäß 1 ist der dritte Leiter L3 mit dem Energiewandler 3 verbunden, derart, dass mindestens ein Teil des Stromes, d.h. ein Leiterteilstrom, bzw. der gesamte Strom des dritten Leiters durch die Primärseite des Energiewandlers 3 fließt. Der Energiewandler 3 ist üblicherweise ein Transformator mit Kern. In einer Ausgestaltung kann in jeder Phase bzw. in jedem Leiter des elektrischen Stromkreises ein Energiewandler 3 vorgesehen sein. Die Sekundärseite des Energiewandlers 3 bzw. jedes vorgesehenen Energiewandler ist mit einem Netzteil 10 (oder mehreren Netzteilen) verbunden, das eine Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung, für die Steuerungseinheit 9 zur Verfügung stellt. Das Netzteil 10 kann zudem noch mit einer Sensoreinheit 8 verbunden sein, zur Energieversorgung der Sensoreinheit - falls erforderlich.
Die Sensoreinheit 8 weist mindestens ein Sensorelement auf, beispielsweise eine Rogowskispule, zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des elektrischen Stromkreises. In einer üblichen Ausbauvariante wird die Höhe des elektrischen Stromes jedes Phasenleiters bzw. Leiters des elektrischen Stromkreises ermittelt.
Die Sensoreinheit 8 ist mit der Steuerungseinheit 9 verbunden und übermittelt dieser die Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters, der Phasenleiter oder aller Leiter des elektrischen Stromkreises.
Die Steuerungseinheit 9 kann eine elektronische Auslöseeinheit respektive Electronic Trip Unit sein.
Die übermittelten Stromwerte werden in der Steuerungseinheit 9 mit Stromgrenzwerten oder/und Strom-Zeitspannen-Grenzwerten, die Auslösegründe bilden, verglichen. Bei Überschreitung dieser, wird eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Unterbrechungseinheit 20 vorgesehen ist, die einerseits mit der Steuerungseinheit 9 verbunden ist und andererseits Kontakte zur Unterbrechung der Leiter L1, L2, L3 bzw. weiterer Leiter des elektrischen Stromkreises aufweist. Die Unterbrechungseinheit 20 erhält in diesem Fall ein Unterbrechungssignal zur Öffnung der Kontakte.
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Die Steuerungseinheit 9 ist mit einer Zeitzählerfunktion 4 verbunden, diese kann als eigenständige Einheit oder Teil der Steuerungseinheit 9 ausgebildet sein.
Die Zeitzählerfunktion 4 ermittelt die Zeit seit dem Auslösen des Leistungsschalters, d.h. seit der Unterbrechung des elektrischen Stromkreises. Diese kann beispielsweise als Uhr bzw. Echtzeituhr ausgestaltet sein. Beispielsweise erhält dazu die Zeitzählerfunktion 4 parallel zur Unterbrechungseinheit 11 das Unterbrechungssignal. Bei Empfang des Signals wird z.B. die Uhr bzw. Echtzeituhr gestartet.
Diese Zeitzählerfunktion 4 wird durch ein Energiespeicherelement 1 mit elektrischer Energie versorgt, insbesondere bei Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, d.h. wenn das Netzteil 10 keine Energieversorgung bereit stellt.
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Das Energiespeicherelement 1 ist insbesondere ein kapazitives Energiespeicherelement, beispielsweise in Form eines Doppelschichtkondensators bzw. Superkondensators, wobei nur ein solcher Kondensator vorgesehen sein braucht.
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Des Weiteren ist die Steuerungseinheit 9 mit einem Auslösegrundspeicher 5 verbunden. Dieser kann als eigenständige Einheit oder Teil der Steuerungseinheit 9 ausgebildet sein. Der Auslösegrundspeicher 5 speichert den Grund für die Auslösung des Leistungsschalters, d.h. der Unterbrechung des elektrischen Stromkreises. Der Auslösegrund wird dabei von der Steuerungseinheit an den Auslösegrundspeicher übermittelt und in diesem gespeichert.
Dieser Auslösegrundspeicher 5 wird ebenfalls durch das Energiespeicherelement 1 mit elektrischer Energie versorgt, insbesondere bei Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, d.h. wenn das Netzteil 10 keine Energieversorgung bereit stellt.
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Weiterhin ist eine Auslösegrundanzeige 11 vorgesehen, die mit dem Auslösegrundspeicher 5 und dem Energiespeicherelement 1 verbunden ist. Die Verbindung zwischen Energiespeicherelement 1 und Auslösegrundanzeige 11 kann ferner eine Abfragetaste 7 aufweisen. So wird die Auslösegrundanzeige 11 nur dann mit Energie vom Energiespeicherelement 1 versorgt, wenn die Abfragetaste 7 aktiviert, wie beispielsweise gedrückt, ist. D.h. z.B. eine Anzeige des Auslösegrundes erfolgt nur bei Aktivierung der Abfragetaste 7.
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Zwischen Energiespeicherelement 1 und Auslösegrundanzeige 11 ist erfindungsgemäß beispielsweise eine Regeleinheit 6 vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass eine Energieversorgung der Auslösegrundanzeige 11 nur dann erfolgt, wenn das Energiespeicherelement eine Energiemenge aufweist, die einen zweiten Energieschwellwert überschreitet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Versorgungsspannung mit dem zweiten Energieschwellwert verglichen wird, der in diesem Beispiel ein Spannungswert ist, und nur bei Überschreitung dessen wird die Auslösegrundanzeige 11 mit dem Energiespeicherelement verbunden bzw. Energie bereit gestellt - bzw. bei Unterschreitung dessen die Verbindung unterbrochen wird, beispielsweise durch ein Schaltelement in oder außerhalb der Regeleinheit 6.
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Die Auslösegrundanzeige 11 kann als optische Anzeigeeinheit ausgeführt sein, beispielsweise in Form bzw. mit Hilfe von Lichtemitterdioden, die den Auslösegrund des Leistungsschalters anzeigen.
Die Anzeige kann nur dann erfolgen, wenn der Abfragetaste 7 aktiviert ist, d.h. beispielsweise gedrückt wird.
Ist in diesem Fall genug Energie im Energiespeicherelement 1 gespeichert, erfolgt eine Anzeige des Auslösegrundes durch die Auslösegrundanzeige 11. Verringert sich die Energie und unterschreitet den zweiten Energieschwellwert, wird durch die Regeleinheit 6 die Energieversorgung für die Auslösegrundanzeige 11 abgeschaltet. In diesem Fall wird nur noch die Zeitzählerfunktion 4 oder/und gegebenenfalls der Auslösegrundspeicher 5 mit Energie versorgt.
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Das Energiespeicherelement 1 ist mittels einer Energieflusssteuerung 2 mit dem Netzteil 10 verbunden. Diese Energieflusssteuerung 2 ist ebenfalls mit der Steuerungseinheit 9 verbunden. Die Energieflusssteuerung kann beispielsweise als Schalter, z.B. als elektronischer Schalter, ausgestaltet sein.
Die Steuerungseinheit 9 und Energieflusssteuerung 2 sind derart ausgestaltet, dass das Energiespeicherelement 1 nur dann Energie vom Netzteil erhält, wenn der Energiewandler 3 eine Energiemenge bereit stellt, die einen ersten Energieschwellwert überschreitet.
Dazu kann die Energiemenge gemessen werden, beispielsweise wird die Sekundärspannung des Energiewanderlers 3 oder eine Spannung des Netzteiles 10 ermittelt und mit einem ersten Energieschwellwert verglichen, in diesem Fall z.B. ein Spannungswert. Nur bei Überschreitung wird das Energiespeicherelement 1 mit Energie versorgt.
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Ferner kann als Energiemenge eine berechnete Energiemenge verwendet werden, die insbesondere in der Steuerungseinheit 9 berechnet wird. Dazu kann beispielsweise aus der Höhe des ermittelten Stromes und einem Übertragungsfaktor des Energiewandlers 3, der vom eingesetzten Energiewandler abhängig ist, die Energiemenge berechnet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch die Sensoreinheit oder eine weitere (Sensor-)Einheit die Frequenz des elektrischen Stromes eines bzw. mehrerer Leiter des elektrischen Stromkreises ermittelt werden. Aus der Höhe des ermittelten Stromes, dessen Frequenz und einem frequenzabhängigen Übertragungsfaktor des Energiewandlers 3 kann dann noch genauer die zur Verfügung stehende Energiemenge berechnet werden. Nur bei Überschreitung, wird das Energiespeicherelement mit Energie versorgt, z.B. geladen.
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2 zeigt eine Anordnung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass die Zeitzählerfunktion 4 und der Auslösegrundspeicher 5 in der Steuerungseinheit 9 integriert sind. Ferner weist die Steuerungseinheit einen Mikroprozessor 12 nebst Peripherie zur Berechnung und Steuerung auf.
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3 zeigt ein erstes Ablaufdiagram für eine Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere für die Steuerungseinheit 9 des Leistungsschalters. In einem Schritt 200 beginnt die Energieversorgung des Leistungsschalters. Im Schritt 210 wird die Höhe des Stromes eines Leiters ermittelt. Im Schritt 220 wird mit der Höhe des Stromes und dem Übertragungsfaktor des Energiewandlers 3 eine Energiemenge berechnet. Der Übertragungsfaktor des Energiewandlers wird durch Schritt 250 bereit gestellt.
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Im Schritt 230 wird die berechnete Energiemenge mit dem ersten Energieschwellwert verglichen. Ist dieser überschritten, wird im Schritt 240 das Energiespeicherelement mit Energie versorgt, beispielsweise indem der Schalter in der Energieflusssteuerung 2 geschlossen wird. Anschließend wird mit Schritt 210 eine erneute Berechnung durchgeführt.
Ist die Energiemenge zu klein, wird im Schritt 260 das Energiespeicherelement nicht mit Energie versorgt, beispielsweise wird in der Energieflusssteuerung 2 der Schalter geöffnet, und das Verfahren beginnt von vorn.
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4 zeigt ein zweites Ablaufdiagramm für eine Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere für die Regeleinheit 6 des Leistungsschalters. In einem Schritt 300 beginnt das Verfahren. In einem Schritt 310 wird geprüft, ob die Abfragetaste 7 aktiviert, d.h. gedrückt wurde. Ist die Abfragetaste 7 gedrückt worden, wird in einem Schritt 320 geprüft, ob die Energiemenge des Energiespeicherelementes 1 über dem zweiten Energieschwellwert liegt, beispielsweise durch einen Vergleicher der Spannung des Energiespeicherelementes 1 mit einem als zweiten Energieschwellwert dienenden Spannungswert.
Ist dieser Schwellwert überschritten, erfolgt in einem Schritt 330 die Anzeige des Auslösegrundes aus dem Auslösegrundspeicher 5 durch die Auslösegrundanzeige 11.
Wird der Schwellwert nicht erreicht, wird in einem Schritt 340 keine Energie für die Anzeigeeinheit freigegeben, z.B. die Energieversorgung durch einen in der Regeleinheit 6 integrierten Schalter unterbrochen.
Nach dem Schritt 330 bzw. 340 beginnt das Verfahren von vorn. Beispielsweise nach dem Schritt 330 mit Schritt 310 und nach dem Schritt 340 mit Schritt 300.
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Im Folgenden wird die Erfindung nochmals mit anderen Worten beschrieben.
Bei möglichst vollständigem Funktionsumfang des Leistungsschalters muss die in Zukunft zur Verfügung stehende Energie auf Grund sich verändernder Netzbedingungen zur Versorgung der Steuerungseinheit erheblich effizienter genutzt werden. Bei Leistungsschaltern soll die Schutzfunktion Zeitzählerfunktion, d.h. Anzeige der Zeit seit der letzten Auslösung des Leistungsschalters, auch als „Thermisches Gedächtnis“ bezeichnet, für mindestens 20 Minuten seit der Auslösung anzeigbar sein. Ferner soll die Funktion „Auslösegrundanzeige“ (Anzeigemöglichkeit des letzten Auslösegrundes per Tastendruck ohne Anliegen einer Versorgungsspannung) für mindestens 10 Sekunden bis zu 24 Stunden nach der Auslösung anzeigbar sein.
Dazu können beispielsweise zwei Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicherelemente verwendet werden. Dabei wird in diesen wie in einem Akku bei anliegender Energieversorgung, Eigen- oder Fremdversorgung des Leistungsschalters, Energie gespeichert (Kondensatoren werden aufgeladen). Wenn eine Auslösung des Leistungsschalters, beispielsweise durch eine Überlastschutzfunktion (Strom-Zeitgrenzwerte überschritten), erfolgt, wird die Energie aus einem der zwei Kondensatoren genutzt, um eine Echtzeituhr zu betreiben. Mit deren Hilfe wird dann die Zeit zwischen der Auslösung und der Abfrage bzw. dem Wiedereinschalten bestimmt. Wird eine gewisse Zeitspanne unterschritten, kann ggfs. der Leistungsschalter nicht eingeschaltet werden. Die Schutzfunktion ist so gestaltet, dass der Kondensator die z.B. Echtzeituhr ca. 20 min. puffern können muss. Der zweite Kondensator wird benutzt, um einen Auslösegrundspeicher, beispielsweise als Latchbaustein realisiert, zu puffern, in welchen vor dem Abschalten des Leistungsschalters der Auslösegrund gespeichert wird. Per Tastendruck ist nun für den Anwender bis zu 24h nach der Auslösung der Auslösegrund, z.B. durch Aufleuchten einer jeweiligen Lichtemmitterdiode / LED, ersichtlich.
Problematisch ist bei der Verwendung zweier Doppelschichtkondensatoren, dass diese bei anliegender Versorgungsspannung aufgeladen werden und hierbei besonders in der ersten Zeit nach Einschaltung des Leistungsschalters bzw. Aktivierung der Steuerungseinheit / ETU erhebliche Mengen Energie benötigen. Das kann dazu führen, dass der Energiewandler nicht genügend Energie liefern kann, um die Steuerungseinheit / ETU aktiv zu halten. Es ist unter Umständen bei kleineren Primärströmen und veränderten Netzen (höhere Oberschwingungsanteile) nicht mehr möglich, den Betrieb der Steuerungseinheit bzw. Schutzfunktion(en) zu gewährleisten bzw. nur verzögert zu gewährleisten.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem Verfahren zum Energiemanagement ist es möglich insbesondere die Funktionen Zeitzählerfunktion / „Thermisches Gedächtnis“ und Auslösegrundspeicher/-anzeige mit z.B. nur einem Energiespeicherelement, wie einem Doppelschichtkondensator, zu realisieren. Das Energiespeicherelement 1 wird durch die Energieflusssteuerung 2 nur geladen, wenn der bzw. die Energiewandler 3 genügend Energie dafür liefern, so dass die eigentlichen Schutzfunktionen des Leistungsschalters nicht beeinträchtigt werden. Dafür wird der / werden die gemessenen Primärströme, mittels der Sensoreinheit 8, mit dem/den Übertragungsfaktor(en), beispielsweise den Wandlerkenndaten des jeweilig verwendeten Energiewandlers, korreliert. Dies erfolgt in der Steuerungseinheit 9. So wird festgestellt, ob dem Leistungsschalter LS, mittels des Netzteils 10, genügend Energie zufließt. Ist dies der Fall, wird das Energiespeicherelement 1, dass als nur ein Doppelschichtkondensator ausgeführt sein kann, mit Energie versorgt und aufgeladen. Bei Unterschreitung eines ersten Energieschwellwertes bzw. festzulegenden Energieniveaus kann die Energiezufuhr wieder gestoppt werden, so dass die gesamte Energie wieder für die Steuerungseinheit 9 bzw. deren Schutzfunktionen zur Verfügung steht.
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Desweiteren wird die Energieverteilung des Kondensators für die zwei Funktionalitäten Zeitzählerfunktion / „Thermisches Gedächtnis“ 4 und Auslösegrundspeicher/-anzeige 5 geregelt. Durch eine Regeleinheit 6 wird sichergestellt, dass die Funktion Auslösegrundanzeige 11 durch Abfragen mittels der Abfragetaste 7 nur so viel Energie erhält, dass das Energiespeicherelement 1 noch genügend Energie enthält, dass die Schutzfunktion Zeitzählerfunktion / Thermisches Gedächtnis immer gewährleistet wird. D.h. beispielsweise wird der Kondensator nur bis auf einen zweiten Energieschwellwert entladen.
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Die Energieschwellwerte können variabel an die jeweiligen Übertragungsfaktoren / Wandlerkenndaten des Energiewandlers 3 angepasst werden. So besitzt das System eine maximale Flexibilität und Anpassbarkeit an zukünftige Energiewandler.
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Bei Verwendung nur eines Energiespeicherelementes, bspw. Kondensators, wird zur Ladung auch nur die Hälfte der Energie benötigt. Nur ein Kondensator wird also mit der gleichen Energiemenge doppelt so schnell geladen und die Funktionalität wird in der halben Zeit hergestellt, im Vergleich zu zwei Kondensatoren.
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Durch die Erfindung werden die Funktionen eines Leistungsschalters auch bei einem niedrigen Primärenergiefluss sicher gestellt. Weiterhin wird Platz im Leistungsschalter, beispielsweise auf einer Leiterplatte, gespart. Zudem können Kosten durch Wegfall eines teuren und relativ großen Bauelementes eingespart 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.
