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Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 14.
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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.
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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 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 als Steuerungseinheit dienenden 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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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.
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Dies führt zu dem Problem, dass die vorhanden Energiewandler in einem Leistungsschalter für die Energieversorgung desselben je nach vorhandenem Netz weniger Energie liefern.
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Größere Wandler könnten mehr Energie liefern, allerdings werden dann die Leistungsschalter größer, was nicht erwünscht ist. Neuere Energiewandler liefern im Vergleich zu den bisher verwendeten frequenzempfindlichen Energiewandlern insbesondere für höhere Frequenzen oder/und insbesondere im niedrigen Primärstrombereich erheblich weniger Energie für die Energieversorgung des Leistungsschalters, insbesondere für die elektronische Auslöseeinheit respektive Steuerungseinheit.
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Des Weiteren besteht das Problem, dass ein Ausfall oder eine verschlechterte Arbeitsweise des Energiewandlers bisher nicht erkannt werden konnte.
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Daraus 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 eine Aussage zur korrekten Funktion eines Energiewandlers zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises vorgesehen:
- - mit einem Energiewandler zur Energieversorgung des Leistungsschalters, dessen Primärseite durch einen Leiter oder einen Teil eines Leiters gebildet ist, derart dass der Strom des Leiters oder mindestens ein Teilstrom den Primärstrom des Energiewandlers bildet, und dessen Sekundärseite mit einem Netzteil verbunden ist,
- - mit einer Sensoreinheit zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes eines Leiters des elektrischen Stromkreises,
- - 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 eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises veranlasst wird,
- - dass die Sekundärseite des Energiewandlers mit dem Eingang einer Messschaltung verbunden ist, dessen Ausgang mit der Steuerungseinheit verbunden ist, wobei die Messschaltung derart ausgestaltet ist, dass sie eine Energiemenge ermittelt und an die Steuerungseinheit abgibt,
- - dass die Steuerungseinheit derart ausgestaltet ist, dass die Energiemenge mit der Höhe des durch die Sensoreinheit ermittelten Stromes verglichen wird, beispielsweise durch Differenzbildung, und bei Überschreitung eines ersten Schwellwertes, beispielsweise Differenzschwellwertes, ein Warnsignal abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Aussage zur wirksamen Arbeitsweise eines Energiewandlers getroffen werden kann. Bei nicht wirksamer Arbeitsweise des Energiewandlers bzw. sogar dessen Ausfall, wird ein Warnsignal abgegeben. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die sensorseitig ermittelte Stromhöhe mit der sekundären Energieleistung des Energiewandlers verglichen wird. Bei einer den ersten Schwellwert überschreitenden Differenz, wird eine Information, z.B. in Form eines Warnsignals abgegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist pro Leiter des Leistungsschalters, beispielsweise vorteilhaft in einem Dreiphasenwechselstromkreis, z.B. vorteilhaft bei einem 3 oder 4-poliger Leistungsschalter, eine Sensoreinheit, ein Energiewandler und eine Messschaltung vorgesehen. Die Steuerungseinheit derart ausgestaltet ist, dass pro Leiter die Energiemenge mit der Höhe des ermittelten Stromes verglichen wird und bei Überschreitung des ersten Schwellwertes ein Warnsignal abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass Leiter bzw. pro Energiewandler eine Überwachung erfolgt. So kann der Energiebeitrag jedes einzelnen Energiewandlers in einem Leistungsschalter überwacht werden. Ein Warnsignal kann insgesamt oder/und pro Leiter oder Energiewandler abgegeben werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiewandler ein Eisenkernwandler oder Wandler mit nanokristallinen Kern ist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass für spezifische Niederspannungsnetze individuell angepasste Energiewandler verwendet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit eine Rogowskispule aufweist.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache und genaue Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes eines Leiters gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Netzteil eine Gleichrichterschaltung, gefolgt von einer Spannungsbegrenzungsschaltung, gefolgt von einem Pufferkondensator, auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Realisierung für ein Netzteil gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt der Pufferkondensator einerseits die Versorgungsspannung für die Steuerungseinheit und andererseits eine Eingangsspannung für die Spannungsbegrenzungsschaltung bereit.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Regelung der Versorgungsspannung gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Spannungsbegrenzungsschaltung mindestens einen Transistor, insbesondere Kurzschlusstransistor, auf.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit zur Spannungsbegrenzung gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in der Messschaltung der erste Eingangsanschluss durch eine Serienschaltung eines ersten Widerstandes, einer ersten Diode und einer Parallelschaltung mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden, wobei die Parallelschaltung einen zweiten Widerstandes, einen Kondensators und mindestens zwei Eingangsanschlüsse eines Analog-Digital-Umsetzer aufweist. Mindestens zwei Ausgangsanschlüsse des Analog-Digital-Umsetzers sind als Ausgangsanschlüsse der Messschaltung mit der Steuerungseinheit verbunden.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache und kostengünstige Messschaltung zur Verwirklichung der Erfindung zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Parallelschaltung eine zweite Diode, insbesondere Zenerdiode, auf.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Spannungsbegrenzung für den Fall von Überspannungen zum Schutz des Analog-Digital-Umsetzers gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Analog-Digital-Umsetzer ein Mikroprozessor nachgeschaltet.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Vorverarbeitung bzw. Ermittlung oder Anpassung der Energiemenge bereits in der Messschaltung ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Energiewandler und mindestens ein Teil der Sensoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders kompakte Realisierung ermöglicht wird.
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Ferner wird analog vorteilhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren mit vorteilhaften Ausgestaltungen beansprucht.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 14, 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 Schaltbild einer Messschaltung,
- 4 eine dritte Darstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 5 eine Darstellung eines Kombiwandlers.
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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.
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Im Beispiel gemäß 1 ist der dritte Leiter L3 mit dem Energiewandler EW verbunden, derart, dass mindestens ein Teil des Stromes, d.h. ein Leiterteilstrom, bzw. der gesamte Strom des dritten Leiters durch die Primärseite des Energiewandlers EW fließt. Der Energiewandler EW ist üblicherweise ein Transformator mit Kern. In einer Ausgestaltung kann in jeder Phase bzw. in jedem Leiter des elektrischen Stromkreises ein Energiewandler EW vorgesehen sein. Die Sekundärseite des Energiewandlers EW bzw. jedes vorgesehenen Energiewandler ist mit einem Netzteil NT (oder mehreren Netzteilen) verbunden, das eine Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Versorgungsspannung, für die Steuerungseinheit ETU zur Verfügung stellt. Das Netzteil NT kann zudem noch mit einer Sensoreinheit SE verbunden sein, zur Energieversorgung der Sensoreinheit - falls erforderlich.
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Die Sensoreinheit SE 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.
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Die Sensoreinheit SE ist mit der Steuerungseinheit ETU verbunden und übermittelt dieser die Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters, der Phasenleiter oder aller Leiter des elektrischen Stromkreises.
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Die Steuerungseinheit ETU kann eine elektronische Auslöseeinheit respektive Electronic Trip Unit sein.
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Die übermittelten Stromwerte werden in der Steuerungseinheit ETU 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 UE vorgesehen ist, die einerseits mit der Steuerungseinheit ETU verbunden ist und andererseits Kontakte zur Unterbrechung der Leiter L1, L2, L3 bzw. weiterer Leiter des elektrischen Stromkreises aufweist. Die Unterbrechungseinheit UE erhält in diesem Fall ein Unterbrechungssignal zur Öffnung der Kontakte.
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2 zeigt eine Darstellung eines Teiles der 1, und zwar den dritten Leiter L3, dessen Energiewandler EW, das Netzteil NT und die Steuerungseinheit ETU. Hierbei ist das Netzteil NT näher dargestellt.
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Das Netzteil NT weist eine Gleichrichterschaltung GR, einen Pufferkondensator CP und eine Spannungsbegrenzungsschaltung SBS auf. Die Spannungsbegrenzungsschaltung SBS weist eine Spannungsüberwachung UU und einen Transistor bzw. Transistorschaltung TT auf, der insbesondere einen Kurzschlusstransistor aufweist.
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Dieses Netzteil NT, das auch als Eigenversorgungsnetzteil des Leistungsschalters bzw. der Steuerungseinheit ETU bezeichnet wird, besteht somit vereinfacht aus den Einheiten: Gleichrichter GR, Pufferkondensator CP, Spannungsüberwachung des Pufferkondensators UU und Kurzschlusstransistor TT.
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Ein Stromfluss im Leiter, beispielsweise dem dritten Leiter L3, induziert einen Strom im Energiewandler EW, der sekundärseitig dem Gleichrichter GR, beispielsweise ein Brückengleichrichter, zugeführt und von diesem gleichgerichtet wird. Der Pufferkondensator CP puffert bzw. speichert diese Energie. Die angeschlossene Steuerungseinheit ETU entzieht dem Pufferkondensator CP wiederrum Energie, d.h. entlädt diesen. Der Spannungspegel über dem Kondensator wird dabei mittels der Spannungsbegrenzungsschaltung SBS, insbesondere der Spannungsüberwachung UU, überwacht. Beim Erreichen eines bestimmten oberen Schwellwertes der Spannung (oberer Spannungsschwellwert) wird der Transistor TT, beispielsweise ein Leistungstransistor, angesteuert, der den Ausgang des Gleichrichters GR kurzschließt bzw. niederohmig werden lässt und somit eine weitere Aufladung des Pufferkondensators CP unterbindet. Die sinkende Spannung über dem Pufferkondensator CP durch kontinuierliche Energieentnahme durch die Steuerungseinheit ETU führt wiederum zur Erreichung eines unteren Schwellwertes der Spannung (unterer Spannungsschwellwert), der wiederum ein Sperren des Transistors TT zur Folge hat, so dass der Pufferkondensator wieder geladen wird.
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Durch diesen Regelkreis der Spannungsbegrenzungsschaltung SBS wird in Abhängigkeit von der Energiemenge, die durch den Energiewandler EW geliefert wird, und durch die von der Steuerungseinheit ETU abgenommene Energiemenge ein pulsierender Ladestrom des Pufferkondensators erzeugt.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Messschaltung. Diese weist eine Serienschaltung eines ersten Widerstandes Rv und einer ersten Diode D1 mit einer Parallelschaltung auf. Dabei bildet die Anschlüsse der Serienschaltung die Eingangsanschlüsse der Messschaltung, einerseits der Anschluss des ersten Widerstandes Rv den ersten Eingangsanschluss und andererseits der andere Anschluss der Parallelschaltung den zweiten Eingangsanschluss.
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Die Parallelschaltung weist einen zweiten Widerstand Rp, einen Kondensator Ci und einen Analog-Digital-Umsetzer ADC. Zusätzlich kann die Parallelschaltung eine zweite Diode Dz, beispielsweise eine Zenerdiode, aufweisen.
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In 3 nicht dargestellt sind die Ausgangsanschlüsse des Analog-Digital-Umsetzer ADC, die üblicherweise mit der Steuerungseinheit ETU verbunden sind.
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In einer Ausgestaltung kann der Analog-Digital-Umsetzer ADC einen Mikroprozessor aufweisen, der eine Aufbereitung des Digital-Signals für die Steuerungseinheit ETU durchführen kann.
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4 zeigt eine Darstellung gemäß 2, mit dem Unterschied, dass die Messschaltung gemäß 3 erfindungsgemäß integriert ist.
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Der Eingangsanschluss der Messschaltung ist mit dem Energiewandler EW verbunden, so dass die Spannung bzw. Energie zwischen Energiewandler EW und Netzteil NT, insbesondere dessen Gleichrichter GR, durch die Messschaltung mit erfasst werden kann.
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Ausgangsseitig ist die Messschaltung mit der Steuerungseinheit ETU verbunden.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Wandlereinheit 1, insbesondere einen Kombinationswandler, für einen Leistungsschalter LS - der von der Wandlereinheit 1 mit elektrischer Energie und mit einem Signal zur Strommessung versorgt wird.
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Die Wandlereinheit 1 weist ein Gehäuse 2 mit einer Topfform auf, das aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff besteht. An den Gehäuseboden 2a ist ein (Durchgangs-)Hohlzylinder 2b (allgemein ein Durchgangskanal 2c) angeformt, durch den ein Leiter, beispielsweise der dritte Leiter L3, als Primärleiter (Primärwicklung) der Wandlereinheit 1 verläuft. Der Kunststoff hat hier beispielhaft eine Isolationsfähigkeit von ca. 20-30 kV/mm.
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Auf dem Gehäuseboden 2a liegt eine (erste) Sekundär-Wicklung 3 auf, die konzentrisch zum Hohlzylinder 2b angeordnet und auf einen nichtmagnetischen Ringkern 4 gewickelt ist, beispielsweise ein Rogowskiwandler zur Strommessung. Die Sekundär-Wicklung 3 ist in einer elektrisch isolierenden festen Kunststoff-Masse 5 zumindest überwiegend eingebettet. Bei der Sekundär-Wicklung 3 kann es sich selbstverständlich auch um eine um den Ringkern 4 gewickelte einfache Ringspule handeln.
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Oben auf der Sekundär-Wicklung 3 liegt ein flaches Abstandselement 6 in Form einer Lochscheibe mit seiner unteren Flachseite unmittelbar auf, so dass die Sekundär-Wicklung 3 von oben gesehen radial zumindest teilweise abgedeckt ist. Zwischen der Sekundär-Wicklung 3 und dem Abstandselement 6 befindet sich keine Kunststoff-Masse 5. In 5 ist die Sekundär-Wicklung 3 von oben gesehen radial vollständig abgedeckt.
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Auf der oberen Seite des Abstandselements 6 liegt eine weitere (zweite) Sekundär-Wicklung 7 auf, die auf einem Kern, im Beispiel ein magnetischer Ringkern 8, beispielsweise aus nanokristallinen Material, gewickelt ist (z.B. ferromagnetischer Kernwandler zur Energieversorgung). Das Abstandselement 6 definiert eindeutig den Abstand zwischen den beiden Sekundär-Wicklungen 3, 7. Der magnetische Ringkern 8 besteht hier aus weichmagnetischem Material, wie ferromagnetisches oder nanokristallines Material. Bei der Wicklung 7 kann es sich selbstverständlich auch um eine einfache um den Ringkern 8 gewickelte Ringspule handeln.
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Die Sekundär-Wicklung 7 ist oberhalb des Abstandselements 6 vollständig in elektrisch isolierenden losen Partikeln 9 eingebettet. In 1 ist die Wicklung 7 auch nach oben hin vollständig von Partikeln 9 abgedeckt; die Abdeckung bzw. die Partikelschicht 10 hat hier eine Dicke D. Grundsätzlich reicht bereits eine Einbettung in radialer Richtung 11 aus. Die aneinander liegenden Partikel 9 sind in 5 lediglich (rechts oben) schematisch angedeutet. Die Partikel 9 füllen hier den Bereich neben und den Bereich (mit der Dicke D) über der Sekundär-Wicklung 7 aus.
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Bei den Partikeln 9 handelt es sich um Glaskugeln mit einer geeigneten Durchmesser-Verteilung (hier beispielsweise in Form einer Gaußverteilung). Alternativ kann es sich auch um Keramikpulver oder Keramikgranulat handeln, insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) mit einer mittleren Korngröße von 300 pm. Grundsätzlich kann auch ausgehärtetes Harz pulverisiert werden.
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Die Dicke D der Partikelschicht 10 beträgt hier mehrere mittlere Partikel-Durchmesser.
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Der sich unmittelbar an die Partikelschicht 10 anschließende Bereich ist mit einem Vergussmittel 12 vergossen. Dabei liegt das Vergussmittel 12 fest (innig) an der Innenseite der Gehäusewand 2d und zumindest auch an den Partikeln 9 an, welche zur Gehäuseöffnung hin oben liegen.
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Ausgehend von der Oberseite der Partikelschicht 10 sind die Partikel 9 in 5 allerdings sogar bis zu einer Tiefe T von mehreren mittleren Partikel-Durchmessern im Vergussmittel 12 eingebettet, wobei die Tiefe T kleiner als die Dicke D der Partikelschicht 10 ist. Damit liegt das Vergussmittel 12 quasi bis zu einer Tiefe T an den Partikeln 9 (rundum) an, nicht nur jeweils an der Oberseite der Partikel 9, welche zur Gehäuseöffnung hin oben (zu oberst) liegen.
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Im Folgenden soll die Erfindung nochmals näher erläutert werden.
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Die Energieversorgung eines Leistungsschalters LS, insbesondere seiner Steuerungseinheit ETU basiert häufig auf der Energiegewinnung aus Eisenwandlern, die zusammen mit dem Messwandler in einem Gehäuse, als so genannte Kombiwandler, auf einer Stromschiene angebracht sind bzw. werden. Der Eisenwandler verhält sich dabei wie eine zum Leiterstrom proportionale Stromquelle, die häufig durch eine Kompensationswicklung begrenzt ist. Der aus Mess- und Energiewandler bestehende Kombiwandler sollte üblicherweise in jeder Phase L1, L2, L3 bzw. jedem Leiter (3 oder 4 in einem Leistungsschalter) angeordnet sein. Diese beliefern die Steuerungseinheit ETU mit Meßsignalen, Höhe des elektrischen Stromes des Leiters, und der benötigten Energie.
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Die Energieversorgung der Steuerungseinheit ETU, einer sicherheitskritischen Komponente für Überwachungsaufgaben in Energieverteilungsanlagen, ist zur Sicherstellung einer korrekten Funktionsweise des Leistungsschalters außerordentlich wichtig. Aus diesem Grund müssen alle Bestandsteile der gesamten Überwachungskette des Leistungsschalters, von Kombiwandlern bis zum Auslösemechanismus, auf ihre einwandfreie Funktionsweise regelmäßig, besser sogar kontinuierlich, überprüft werden. Erfindungsgemäß wird eine Anordnung und ein Verfahren hierfür beschrieben, dass auf die Überwachung des Energiebeitrags der einzelnen Energiewandler im laufenden Betrieb gerichtet ist. Dabei kann mit Hilfe der Erfindung nicht nur die korrekte Funktion bzw. das Vorhanden eines Energiewandlers EW festgestellt werden (qualitative Aussage), sonder auch noch die von den Energiewandlern an die Steuerungseinheit ETU bzw. einen Verbraucher gelieferte Energiemenge quantitativ ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß wird eine Messschaltung bzw. Schaltungsanordnung vorgeschlagen, mit der eine Spannung integriert und gemessen wird, die proportional zu dem von dem Energiewandler EW an das Netzteil NT, insbesondere den Pufferkondensator CP, d.h. an die Steuerungseinheit ETU, gelieferten Energiebeitrag ist. Durch den beschriebenen Regelvorgang des Netzteils NT erfolgt ein pulsförmiger Stromfluss von den Energiewandlern EW über den Gleichrichter GR zum Pufferkondensator CP.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist einen Spannungsteiler, gebildet aus dem ersten Widerstand Rv und zweiten Widerstand Rp, einer ersten Diode D1 zur Rückflussverhinderung und einem Kondensator Ci als Integrationsglied auf. Diese Messschaltung wird in jeder Phase L1, L2, L3 bzw. Leiter zwischen dem Energiewandler EW und dem Netzteil NT bzw. dessen Gleichrichter GR angeschlossen.
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Über den hochohmigen Spannungsteiler werden die Spannungspulse des Netzteils NT auf dem Kondensator Ci integriert. Durch die erste Diode D1 wird eine Rückentladung des Kondensators Ci in den Energiewandler EW bzw. das Netzteil NT verhindert.
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Eine Entladung des Kondensators Ci erfolgt im Wesentlichen über den zweiten bzw. parallelen Widerstand Rp. Die Spannungsimpulse haben in Abhängigkeit vom Primärstrom des Leiters und der von der Steuerungseinheit ETU benötigten / aus dem Netzteil NT entnommenen Energiemenge eine bestimmte Breite und Häufigkeit.
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Die Fläche dieser Pulse ist proportional zu der Energiemenge. Die pulsförmige Spannung wird aufintegriert, gleichzeitig wird der Kondensator Ci in den Pulspausen über den zweiten bzw. parallelen Widerstand Rp entladen. Über dem Kondensator Ci stellt sich in Abhängigkeit vom fließenden Primärstrom und der momentan entnommenen Energiemenge aus dem Netzteil, d.h. der Steuerungseinheit ETU, ein bestimmter Spannungspegel ein.
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Dieser Spannungspegel wird mit Hilfe des Analog-Digital-Umsetzers ADC erfasst und der Steuerungseinheit ETU zugeführt. Mit Hilfe einer zweiten Diode Dz, z.B. Zenerdiode oder Serienschaltung von Dioden, wird eine Pegelbegrenzung für den Analog-Digital-Umsetzer ADC realisiert, z.B. bei 3,3 Volt.
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In der Steuerungseinheit wird die ermittelte Energiemenge mit der Energie bzw. dem Strom, der durch die Sensoreinheit SE ermittelt wird, verglichen. Normalerweise sollten beide Energiemengen bzw. die Höhe des Stromes mit der Energiemenge der Messschaltung korrelieren, d.h. in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Weichen beide voneinander ab, wird also beispielsweise die Differenz ermittelt, und überschreitet diese einen ersten Schwellwert, wird ein Warnsignal abgegeben, das beispielsweise am Leistungsschalter signalisiert werden kann, z.B. in Form eines optischen oder/und akustischen Signals. Das Warnsignal kann auch drahtgebunden oder drahtlos zu einer anderen Stelle übermittelt werden.
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Somit wird ein Benutzer über ein Problem mit dem Leistungsschalter informiert.
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Durch die vorgeschlagene Erfindung ist es auf eine einfache und wenig kostenintensive Art und Weise möglich, eine effektive Überwachung der korrekten Funktionsweise der einzelnen Energiewandler eines Leistungsschalters im laufenden Betrieb zu ermöglichen. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die Erfindung eine quantitative Aussage über die von den einzelnen Energiewandlern gelieferte Energiemenge gemacht werden kann. Somit kann die Information sowohl zu Funktionsüberwachung der Wandler, als auch zum Energiemanagement der Steuerungseinheit ETU verwendet bzw. mit einbezogen 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.
