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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 12.
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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 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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So offenbart zum Beispiel die
DE 602 00 500 T2 einen elektronischen Auslöser mit Kondensator zur Stromversorgung einer Auslösespule. Die
US 2007/0152648 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Energieversorgen von elektrischen bzw. elektronischen Einheiten eines Leistungsschalters. Die
DE 10 2007 047 166 A1 offenbart eine Steuerung der Anzeigehintergrundbeleuchtung bei einem Leistungsschalter. Die
DE 10 2009 040 692 A1 offenbart einen Leistungsschalter und die
WO 00/49705 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung.
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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 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. 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 zu Verfügung stehenden Energiemenge bzw. 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 12 gelöst.
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Insbesondere ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines elektrische Leiter aufweisenden elektrischen Stromkreises vorgesehen:
- - mit einem Energiewandler zur Energieversorgung des Leistungsschalters, dessen Primärseite durch einen Leiter bzw. einen Leiterteilstrom, d.h. mindestens ein Teil des Leiterstromes bildet den Primärstrom des Energiewandlers, gebildet ist und dessen Sekundärseite mit einem Netzteil verbunden ist,
- - dass das Netzteil eine Gleichrichterschaltung, eine Rückflussdiode, einen Komparator, einen elektronischen Kurzschließer und einen Pufferkondensator aufweist, derart dass die durch die Gleichrichterschaltung dem Pufferkondensator zugeführte Spannung, insbesondere über die Rückflussdiode zugeführte Spannung, bei Überschreitung eines ersten Spannungsschwellwertes durch ein Steuersignal zum Kurzschließer kurzgeschlossen wird und bei Unterschreitung eines zweiten Spannungsschwellwertes der Kurzschluss aufgehoben wird, beispielsweise indem das Steuersignal als Binärsignal ausgestaltet ist, mit einen ersten Pegel ein Kurschluss durch den elektronischen Kurzschließer erzeugt wird, mit einem zweiten Pegel eine Deaktivierung des Kurzschlusses veranlasst wird,
- - 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 der Leistungsschalter derart ausgestaltet ist, dass das Steuersignal zum Kurzschließer auch der Steuerungseinheit zugeführt wird, die aus der zeitlichen Abfolge von Kurzschlussinformationen des Steuersignals eine Energiemengeninformation ermitteln kann.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Information über die dem Leistungsschalter zur Verfügung stehende Energiemenge zur Verfügung steht, die beispielsweise zum Energiemanagement des Leistungsschalters verwendet werden kann, wie beispielsweise das zu- bzw. abschalten von (energieverbrauchenden) Funktionen des Leistungsschalters, als auch zur Prüfung der Funktionsweise der Energiewandler bzw. des Netzteils, beispielsweise auch durch Vergleich mit ermittelten Strömen der Sensoreinheit.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Mikroprozessor auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache Ermittlung der Energiemengeninformation, d.h. der Energiemenge, durchgeführt werden kann. Hierzu wird einfach das binäre Ansteuersignal vermessen bzgl. der Zeiten des Einschaltens und des Ausschaltens. Dies kann leicht durch einen Mikroprozessor geschehen. Je mehr kurzgeschlossen wird, desto mehr Energie ist vorhanden. Wird gar nicht kurzgeschlossen, ist wenig Energie vorhanden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die ermittelte Energiemenge mit der Höhe des durch die Sensoreinheit ermittelten Stromes verglichen wird und bei Überschreitung eines ersten Differenzschwellwertes ein Warnsignal abgegeben wird. 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, kann ein Warnsignal abgegeben werden.
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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 ein Netzteil vorgesehen. Die Steuerungseinheit ist derart ausgestaltet, dass pro Leiter die Energiemenge ermittelt wird. Diese kann vorteilhaft mit der Höhe des ermittelten Stromes verglichen werden und bei Überschreitung des ersten Schwellwertes ein Warnsignal abgegeben wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass pro 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 die Steuerungseinheit derart ausgestaltet, dass die Energiemengeninformation mit einem Funktionsschwellwert verglichen wird und bei Unterschreitung dessen eine Funktion des Leistungsschalters deaktiviert wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Energiemanagement im Leistungsschalter realisiert werden kann. So können bei geringer zur Verfügung stehender Energie eine oder mehrere Funktionen abgeschaltet werden. Steht wieder genug Energie zur Verfügung, können die Funktionen wieder zugeschaltet werden. Es können auch mehrere Funktionsschwellwerte vorgesehen sein, denen verschiedene bzw. stufenweise Energiemengenwerte zugeordnete sind, so dass abhängig von der Energiemenge Funktionen ab- bzw. zugeschaltet werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit eine Rogowskispule auf. 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 sind die Eingangsanschlüsse des Netzteils mit der Gleichrichterschaltung verbunden, zwischen deren ersten und zweiten Ausgangsanschluss der Kurzschließer geschaltet ist, beide Ausgangsanschlüsse sind mit dem Pufferkondensators verbunden, wobei in mindestens einer Verbindung zwischen Ausgangsanschluss und Pufferkondensator die Rückflussdiode angeordnet ist, alternativ können auch in beiden Verbindungen Rückflussdioden vorgesehen sein bzw. eine andersartige Rückflussverhinderung des elektrischen Gleichstromes vom Pufferkondensator zum Kurzschließer vorgesehen sein, an den beiden Anschlüssen des Pufferkondensators sind die beiden Eingangsanschlüsse des Komparators angeschlossen und ein Ausgangsanschluss des Komparators ist mit einem Eingangsanschluss des Kurzschließers verbunden, alternativ kann der Kurzschließer auch durch zwei Anschlüsse mit dem Komparator verbunden sein, um das Steuersignal zum Kurzschluss zu übertragen. 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 weist die Spannungsbegrenzungsschaltung mindestens einen Transistor auf. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine einfache Möglichkeit zur Spannungsbegrenzung gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Energiewandler und mindestens ein Teil der Sensoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. 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. 12, 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 eine Darstellung eines Spannungsverlaufs,
- 4 eine Darstellung eines Verlaufs des Steuersignals,
- 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. Im Beispiel gemäß 1 ist der dritte Leiter L3 mit einem 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, d.h. den Primärstrom bildet. Der Energiewandler EW ist üblicherweise ein Transformator mit Kern. In einer üblichen 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 eine Steuerungseinheit ETU zur Verfügung stellt. Das Netzteil NT übermittelt der Steuerungseinheit ETU ferner erfindungsgemäß ein Steuersignal SIG. Das Netzteil NT kann zudem noch mit einer Sensoreinheit SE verbunden sein, zur Energieversorgung der Sensoreinheit - falls erforderlich.
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.
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.
Die Steuerungseinheit ETU kann eine elektronische Auslöseeinheit respektive Electronic Trip Unit sein.
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 einer Ausgestaltung eines Teiles der 1, und zwar des mit Energiewandlern EW verbundenen Netzteils NT.
Gemäß 2 ist pro Leiter L1, L2, L3 ein Energiewandler EW vorgesehen. Die drei Energiewandler EW sind mit dem Netzteil NT verbunden. Das Netzteil NT weist eine Gleichrichterschaltung GR auf, diese ist beispielsweise als Brückengleichrichterschaltung ausgestaltet, wobei für jeden Leiter L1, L2, L3 bzw. jede Phase, d.h. im Beispiel für jeden Energiewandler, ein Gleichrichter, z.B. in Form eines Brückengleichrichters, vorgesehen sein kann, wie in 2 dargestellt. Die Ausgänge der jeweiligen Gleichrichter sind parallelgeschaltet, so dass eine Gleichspannung am ersten und zweiten Ausgang GRA1, GRA2, der Gleichrichterschaltung zur Verfügung steht. Im Beispiel gemäß 2 soll am ersten Ausgang der Gleichrichterschaltung GRA1 der positive Pol der Gleichspannung und am zweiten Ausgang der Gleichrichterschaltung GRA2 der negative Pol der Gleichspannung sein. Zwischen diesen beiden Anschlüssen ist der Kurzschließer KS angeschlossen. Die Spannung wird einem Pufferkondensator CP zur Verfügung gestellt, wobei in mindestens einer Verbindung zwischen Ausgang der Gleichrichterschaltung und Pufferkondensator eine Rückflussdiode RD vorgesehen ist, um einen Rückfluss des elektrischen Stromes zum Kurzschließer zu verhindern. An Stelle der Rückflussdiode kann auch jede andere Rückflussverhinderung vorgesehen sein. Im Beispiel gemäß 2 ist zwischen ersten Ausgang der Gleichrichterschaltung GRA1 und Pufferkondensator CP die Rückflussdiode RD in Flussrichtung des elektrischen Stromes zum Verbraucher, im Beispiel der Steuerungseinheit ETU, vorgesehen, so dass der elektrische Strom zum Verbraucher fließen kann.
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Parallel zum Pufferkondensator CP sind die Anschlüsse eines Komparators Komp geschaltet. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang des Kurzschließers KS verbunden, über diese Verbindung wird das Steuersignal SIG zur Aktivierung des Kurzschließers übertragen. Dieses kann beispielsweise ein Binärsignal, z.B. mit einem niedrigen und einem hohen Pegel, sein, d.h. solange das Steuersignal SIG einen bestimmten Pegel aufweist, wird der Kurzschließer, der beispielsweise als Transistor ausgestaltet sein kann, wie ein Schalttransistor, aktiviert und schließt somit den Ausgang den Gleichrichters kurz.
Um einen Rückfluss der Energie des Pufferkondensators zum Kurzschließer zu vermeiden, ist die Rückflussdiode RD vorgesehen.
Der Eingang des Kurzschließers kann auch zwei- oder mehrpolig mit dem Komparator verbunden sein.
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Der Komparator weist einen ersten Spannungsschwellwert auf, bei dessen Überschreitung ein Steuersignal zum Kurzschluss des Kurzschließers gesendet wird.
Unterschreitet die Spannung am Komparator einen zweiten Spannungsschwellwert, wird der Kurzschluss wieder aufgehoben bzw. deaktiviert, beispielsweise durch (Pegel-)Änderung des Steuersignals.
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Parallel zum Pufferkondensator sind die Ausgangsanschlüsse des Netzteils A1NT, A2NT, an dem im Beispiel gemäß 2 die Steuerungseinheit ETU angeschlossen ist und mit Energie, im Beispiel in Form einer Gleichspannung, versorgt wird.
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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, Komparator Komp, Rückflussdiode RD und Kurzschließer KS.
Es können weitere Bauelemente im Netzteil NT vorgesehen sein. Im Beispiel beschrieben ist die grundlegende Funktion.
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Ein Stromfluss im Leiter L1, L2, L3, induziert einen Strom im jeweiligen Energiewandler EW, der sekundärseitig dem Gleichrichter GR 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 des Komparators Komp überwacht. Beim Erreichen eines bestimmten oberen ersten Schwellwertes der Spannung (erster Spannungsschwellwert) wird der Kurzschließer KS, 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 zweiten Schwellwertes der Spannung (zweiter Spannungsschwellwert), der wiederum ein Sperren, beispielsweise des Transistors des Kurzschließers, zur Folge hat, d.h. ein Deaktivieren des Kurzschlusses, so dass der Pufferkondensator CP wieder geladen wird.
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Durch diesen Regelkreis des Netzteiles wird in Abhängigkeit von der durch den Energiewandler EW gelieferten Energiemenge und durch die von der Steuerungseinheit ETU abgenommene Energiemenge ein pulsierender Ladestrom des Pufferkondensators erzeugt, der dem Steuersignal SIG zwischen Komparator Komp und Kurzschließer KS entspricht.
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3 zeigt eine Darstellung des Spannungsverlaufs des Pufferkondensators. Auf der horizontalen X-Achse ist die Zeit t dargestellt. Auf der vertikalen Y-Achse die elektrische Spannung U über dem Pufferkondensator CP.
Auf der X-Achse sind nacheinander entsprechend dem fortlaufenden Anstieg bzw. Abfall der elektrischen Spannung die Indizes La, KSa, Lb, KSb, Lc, KSc, Ld, KSd und Le aufgetragen. Der Präfix L bedeutet hierbei ein Laden des Pufferkondensators CP, verbunden mit einem Anstieg der Spannung. Der Präfix KS bedeutet hierbei die Phase bzw. Dauer des aktiven Kurzschlusses durch den Kurzschließer, d.h. kein Laden des Kondensators. Der Spannungsabfall in dieser Zeit ist durch die Energieentnahme durch den Verbraucher des Netzteiles, im Beispiel der Steuerungseinheit ETU, bedingt.
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Bei kontinuierlichem Energiebedarf, der vorteilhafterweise mikroprozessorgesteuerten Steuerungseinheit ETU, kann somit durch die Kurzschlusszyklen auf die zur Verfügung stehenden Energiemenge geschlossen werden.
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Wird häufig kurzgeschlossen, steht viel Energie zur Verfügung. Wird selten bzw. nie kurzgeschlossen, steht wenig Energie zur Verfügung.
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Durch Bestimmung der Kurzschlusszeiten aus dem Steuersignal, beispielsweise in der Steuerungseinheit ETU, kann je nach Leistungsschalter und dessen Parameter auf die zur Verfügung stehende Energie geschlossen werden.
Dies kann konkret dadurch erfolgen, dass mittels Mikroprozessor und einer Interrupttechnik ein Zähler im Mikroprozessor bzw. Mikrokontroller beim Flankenwechsel des Signales SIG gestartet bzw. gestoppt wird und man somit auf sehr einfache und ressourcenschonende Weise ein Maß für die Kurzschluss- bzw. Ladezeiten erhält, d.h. ein Maß für die Energiemenge. Je kürzer die Ladezeiten sind, desto mehr Energie steht durch die Energiewandler zur Verfügung.
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Im Beispiel gemäß 3 zeigt der Zyklus Lc eine hohe zur Verfügung stehende Energie an. Der Zyklus KSd einen erhöhten Energieverbrauch.
Ein erhöhter Energieverbrauch kann je nach System dafür stehen, dass Teile der Schaltung ausgefallen bzw. defekt sind und insofern ein Fehler vorliegt, der zu überprüfen ist.
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4 zeigt dabei den korrespondierenden Verlauf des Steuersignals SIG, im Beispiel ein Binärsignal mit niedrigem Pegel L und hohem Pegel H, über der Zeit t gemäß 3. Dieses Steuersignal SIG wird von der Steuerungseinheit ETU erfasst und ausgewertet. Aus der Länge der Binärimpulse, Dauer der niedrigen und hohen Pegel, kann wie erwähnt auf die Energiemenge geschlossen werden.
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5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine beispielhafte 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 µm. 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 werden 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), sondern auch noch die von den Energiewandlern an die Steuerungseinheit ETU bzw. einen Verbraucher gelieferte Energiemenge quantitativ ermittelt werden.
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Elektronische Schutzgeräte in Leistungsschaltern sollen immer mehr Funktionen realisieren. Auf überwiegenden Kundenwunsch hin sollen die wesentlichen Funktionen eines Leistungsschalters ohne externe Spannungsversorgung(en) auskommen, sie sollen sich aus dem durch den Leistungsschalter fließenden Strom selbst versorgen. Hierzu werden Energiewandler in den Leistungsschaltern eingesetzt. Diese haben bedingt durch heutige Anforderungen an die Einsatzgebiete der Leistungsschalter nur limitierte Ausgangsleistungen die zur Versorgung der Steuerungseinheit ETU bzw. der Schutzelektronik zur Verfügung steht.
Die gewünschte Funktionalität eines Leistungsschalters wächst schneller, als es die modernen Schaltungskomponenten mit den vorhandenen Energiemengen ermöglichen würden.
Ein möglicher Ausweg ist ein Energiemanagement zu realisieren, dass abhängig von der zur Verfügung stehenden Energie Funktionen zu- oder abschaltet. Dazu ist es erforderlich zu wissen, wie viel Energie zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die jeweils zur Verfügung stehende Energiemenge ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand zu ermitteln.
Ferner kann überprüft werden, in wie weit die Eingangsnetzteilpufferung funktionsfähig ist.
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Das Netzteil arbeitet mit einer Schaltung, die die Energie aus den Energiewandlern zunächst gleichrichtet und die gleichgerichtete Spannung dann auf einen Pufferkondensator gibt. Dieser Pufferkondensator gleicht die stark wechselnde Eingangsspannung so weit wie benötigt aus. Gerade im einphasigen Betrieb treten dabei extreme Bedingungen durch die immer wiederkehrenden Nulldurchgänge der Wechselspannung auf.
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Da bei hohen Strömen durch den Leistungsschalter auch hohe Energien aus den Energiewandlern in das Netzteil fließen, muss bei einem maximalen Pegel der Spannung des Pufferkondensators der Energieeintrag beschränkt werden. Dies wird mit einem Kurzschließer bzw. Kurzschlussglied erreicht.
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Wird eine minimale Spannung am Pufferkondensator unterschritten, wird dieser Kurzschluss wieder aufgehoben. Der Pufferkondensator wird wieder mit Energie aus den Wandlern geladen.
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Zur Messung des fließenden Stromes wird je Pol des Leistungsschalters ein Messwandler, vielfach Rogowskispulen, eingesetzt. Sie liefern keine Energie zum Betrieb, jedoch ein genaues Signal zur Messung der durch den Schalter fließenden Ströme.
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In diesem System ergibt sich durch den weitgehend konstanten Verbrauch von Energie durch die Steuerungseinheit ein weitgehend konstanter Strombedarf, der dem Pufferkondensator entnommen wird.
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Es ergeben sich, wie in 3 gezeigt, abwechselnd zwei Zustände. Zum einen fließt Energie zum Pufferkondensator, zum anderen ist der Gleichrichterausgang kurzgeschlossen. Der Pufferkondensator wird durch den Energiebedarf des Leistungsschalters entladen.
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Wenn sehr wenig Energie aus den Energiewandlern zur Verfügung steht, wird der Ausgang der Gleichrichter nie kurzgeschlossen. Ist sehr viel Energie aus den Energiewandlern vorhanden, wird häufig kurzgeschlossen bzw. der Eingangskurzschluss nur kurzzeitig aufgehoben, da die Energie dann sehr schnell den Pufferkondensator auf den maximalen Spannungspegel auflädt.
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Die Schaltung zur Überwachung der Spannung des Pufferkondensators kann einfach aufgebaut werden, durch Komparatoren, die unter Berücksichtigung der benötigten Minimal- und Maximalpegel der Spannung den Kurzschließer, z.B. in Form eines Transistors, ansteuern. Dabei wird der Kurzschließer beispielsweise im Zweipunktbetrieb angesteuert, in dem er entweder so gut als möglich leitet oder in dem er so gut als möglich isoliert. Im teilweise leitenden Zustand würden möglicherweise zu große Energien in ihm umgesetzt.
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Dieses z.B. binäre Steuersignal SIG des Kurzschließers KS kann nun einerseits zur Erfassung der vorhandenen Energiemenge genutzt werden, als auch zur Beurteilung ob der Pufferkondensator und die Schaltung des elektronischen Schutzgerätes funktionsfähig sind.
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Hierzu wird das z.B. binäre Steuersignal SIG vermessen, z.B. bzgl. der Zeiten des Einschaltens und des Ausschaltens. Dies kann vorteilhaft in einfacher Weise durch einen, ggfs. zum Betrieb bereits vorhandenen, Mikroprozessor erfolgen.
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Je häufiger und länger die Zeit ist, die der Eingang des Netzteils kurzgeschlossen wird, desto mehr Energie ist vorhanden. Wird gar nicht kurzgeschlossen, ist sehr wenig Energie vorhanden.
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Durch den weitgehend konstanten Energieverbrauch der angeschlossenen Steuerungseinheit wird dem Pufferkondensator ständig Energie entzogen.
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Durch ein Energiemanagement, d.h. die Steuerung möglicher Verbraucher, wie Leuchtmelder (LED, etc.), durch die Steuerungseinheit ETU des Leistungsschalters, kann der Energieverbrauch gegebenenfalls angepasst werden.
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Der aus den Sensoreinheiten bzw. Messwandlern ermittelte Strom kann zur Verifizierung der Energiemengen verwendet werden. Ist ein Energiewandler defekt und liefert keinen Energiebeitrag, kann dies ebenfalls detektiert werden.
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Ist wenig Energie vorhanden - Eingangskurzschluss nie oder sehr selten aktiv - können alle nicht unbedingt notwendigen Schaltungsteile deaktiviert werden, um eine sichere Aktivierung des Schutzsystems bei kleinen Leiterströmen durch den Leistungsschalter zu ermöglichen.
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Ist viel Energie vorhanden - der Eingangskurzschluss wird immer nur sehr kurzzeitig aufgehoben - können alle Schaltungsteile aktiv betrieben werden.
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Optional kann die erfasste Energiemenge mit einer zu erwartenden Energiemenge verglichen werden, die sich aus den mit den Messwandlern erfassten Strömen durch den Leistungsschalter ergibt. Optional könnte zusätzlich die Spannung des Pufferkondensators durch einen Analog-Digital-Umsetzer von der Steuerungseinheit erfasst werden. Dieser Wert kann hinsichtlich des Spannungsverlaufs analysiert werden. So kann z.B. ein ausgefallener Energiewandler ermittelt werden.
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Die vorgeschlagene Messung der Zyklenzeiten des Kurzschließers ist mit sehr geringem Aufwand unter Ausnutzung von Interrupts von Mikroprozessoren möglich und benötigt wenig Rechenleistung.
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Leistungsschalter, die mit einer Wechselspannungsversorgung betrieben werden, weisen intern einem oder mehrere Gleichrichter und einen oder mehrere Pufferkondensatoren CP zur Überbrückung der auftretenden Nulldurchgänge in der Energieversorgung auf.
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Die Beziehung zwischen Strom und Spannung am Kondensator CP lautet: Q = C * U. Die Ladung ist das Produkt aus Kapazität und Spannung. Die zeitliche Ableitung dieser Gleichung ergibt I=dQ/dt=C*dU/dt. Der Strom entspricht der zeitlichen Änderung der Spannung multipliziert mit der Kapazität des Kondensators.
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Wird der Kondensator in sehr kurzer Zeit geladen, muss ein großer Strom in den Kondensator fließen (Ladestrom aus den Energiewandlern / Energieversorgung) oder der Kondensator muss, beispielsweise alterungsbedingt, die Kapazität verringert haben. Durch die ebenfalls mögliche Erfassung des aktuellen Effektivwertes des Primärstromes kann so genau verglichen werden, ob der Kondensator in der systemabhängigen und für ein konstantes System - konstanten Zeit geladen wird. Sollte dies schneller erfolgen als systembedingt vorgegeben, dann ist die Kapazität des Kondensators verringert (Alterung, etc.). Erfolgt die Ladung gar nicht oder langsamer, ist die Energieversorgung beeinträchtig (z.B. Energiewandler defekt).
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Beim Entladen des Kondensators kann über die Höhe der Entladezeit geschlussfolgert werden, ob die Kapazität und die Stromaufnahme der Steuerungseinheit (Schaltung bzw. Last) systemabhängig, aber für ein konstantes System - konstante Zeit entladen wird. Ist die Zeit zu kurz, die die Pufferung hält, ist die Stromaufnahme der Schaltung gestiegen oder die Kapazität des Kondensators hat nachgelassen. Beides ist in gewissen Grenzen tolerabel, danach muss es als Defekt gewertet werden.
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Durch Gegenüberstellung von Lade-/Entladezeiten kann darauf geschlossen werden, ob die Kapazität des Kondensators nachgelassen hat (beide Zeiten verkürzt, sowohl für das Laden als auch für das Entladen) oder ob ein anderer Defekt vorhanden ist. Wenn nur die Entladezeit kürzer wurde, benötigt die Schaltung zu viel Energie. Wenn nur die Ladezeit kürzer ist, wird zu wenig Energie geliefert.
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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 Differenzschwellwert, kann beispielsweise ein Warnsignal abgegeben werden, dass 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. Somit wird ein Benutzer über ein Problem mit dem Leistungsschalter informiert. Bei Überschreitung des ersten bzw. eines zweiten Differenzschwellwertes erfolgt eine Auslösung des Leistungsschalters, d.h. eine Unterbrechung des elektrischen Stromkreises. So kann beispielsweise auf ein Problem des Leistungsschalters hingewiesen 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.
