DE102017215820A1 - Circuit breakers and procedures - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises,- mit einer Unterbrechungseinheit, zur Unterbrechung mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises,- mit einen Netzteil, das mit mindestens zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises verbunden ist, wobei aus einer Spannungsdifferenz der mindestens zwei Leiter eine Versorgungsspannung für den Leistungsschalter erzeugt wird,- mit einer Sensoreinheit zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises,- mit einer mit der Unterbrechungseinheit, der Sensoreinheit und dem Netzteil verbundenen Steuerungseinheit, die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung von Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten eine Unterbrechung mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises durch die Unterbrechungseinheit erfolgt,- dass der Leistungsschalter derart ausgestaltet ist, dass im spannungslosen Zustand des Niederspannungsstromkreises immer mindestens ein Leiter des Niederspannungsstromkreises unterbrochen ist und ein Stromfluss des Niederspannungsstromkreises durch den Leistungsschalter nur bei Vorliegen einer Niederspannung im Niederspannungsstromkreises vorgesehen ist.The invention relates to a circuit breaker for interrupting a multi-conductor low-voltage circuit, - with an interruption unit, for interrupting at least one conductor of the low-voltage circuit, - with a power supply, which is connected to at least two conductors of the low-voltage circuit, wherein from a voltage difference of at least two conductors Supply voltage for the circuit breaker is generated, with a sensor unit for determining the magnitude of the electric current of at least one conductor of the low-voltage circuit, with a control unit connected to the interruption unit, the sensor unit and the power unit, which is designed such that when current is exceeded or Strom-Zeitspannen-Grenzwerte an interruption of at least one conductor of the low-voltage circuit by the interruption unit takes place, - that the power switch is designed such that in the de-energized State of the low-voltage circuit always at least one conductor of the low-voltage circuit is interrupted and a current flow of the low-voltage circuit is provided by the power switch only in the presence of a low voltage in the low-voltage circuit.
Description
Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung und Schließung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises sowie ein korrespondierendes Verfahren.The invention relates to a circuit breaker for interrupting and closing a multi-conductor low-voltage circuit and a corresponding method.
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 bzw. Unterbrechung 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.Circuit breakers are protective devices that function in a similar way to a fuse. Circuit breakers monitor the current flowing through them through a conductor and interrupt the electrical current to an energy sink, referred to as a break, when protection parameters such as current limits or current-time-out limits, i. if a current value exists for a certain period of time, be exceeded. The set current limit values or current-time limit limits are corresponding tripping reasons. The interruption occurs, for example, through contacts of the circuit breaker, which are opened.
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.In particular for low-voltage circuits or networks there are different types of circuit breakers depending on the level of the intended electrical current in the electric circuit. With circuit breaker according to the invention in particular switches are meant, as used in low-voltage systems for currents of 63 to 6300 amps. More specifically, closed circuit breakers are used for currents of 63 to 1600 amps, in particular from 125 to 630 or 1200 amps. Open circuit breakers are used in particular for currents from 630 to 6300 amps, more specifically from 1200 to 6300 amps. Open Circuit Breakers are also referred to as Air Circuit Breaker, ACB for short, and Molded Case Circuit Breaker or Molded Case Circuit Breaker, MCCB for short circuit breakers.
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.By low voltage is meant in particular voltages up to 1000 volts AC or 1500 volts DC. Specifically, low voltage means voltages that are greater than the low voltage, with values of 25 volts or 50 volts AC, and 60 volts or 120 volts DC.
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.With circuit breaker in the context of the invention, in particular circuit breaker with a serving as a control unit electronic trip unit, also referred to as Electronic Trip Unit, short ETU meant.
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 Steuerungseinheit / elektronischen Auslöseeinheit. Diese ist üblicherweise über die Front des Leistungsschalters zugänglich angebracht. Die Schutzparameter sind hierüber einstellbar bzw. parametrierbar.If the current flow is too high, circuit breakers interrupt the circuit according to their protection parameters or response values. The protection parameters or response values are essentially the magnitude of the current and the time after which an interruption of the circuit should take place with a constantly high current flow. In contrast to a fuse these protection parameters or response values are adjustable in a circuit breaker, for example by means of the control unit / electronic trip unit. This is usually attached accessible via the front of the circuit breaker. The protection parameters can be set or parameterized here.
Bisherige Leistungsschalter in elektrischen Anlagen werden generell eingeschaltet. Nach Einschaltung überwachen diese den elektrischen Strom im Stromkreis. Bei einem Spannungsausfall bzw. wenn ein übergeordneter Leistungsschalter auslöst verbleiben diese Leistungsschalter im eingeschalteten Zustand. Liegt erneut eine elektrische Spannung an, steht diese den Verbrauchern sofort zur Verfügung.Previous circuit breakers in electrical systems are generally switched on. After switching on, they monitor the electrical current in the circuit. In the event of a power failure or when a higher-level circuit breaker triggers, these circuit breakers remain in the switched-on state. If there is another electrical voltage, it is immediately available to the consumers.
Nur wenn ein Kurzschluss- oder Überstromereignis auftritt, d.h. wenn Strom- oder Strom-Zeitspannengrenzwerte überschritten werden, löst der Leistungsschalter aus und verbleibt im ausgeschalteten Zustand - so lange bis der Fehler behoben ist und der Leistungsschalter wieder eingeschaltet wird. Only when a short circuit or overcurrent event occurs, i. If current or current timeout limits are exceeded, the circuit breaker trips and remains off - until the fault is cleared and the circuit breaker is turned back on.
D.h. Leistungsschalter, wie auch Sicherungen, sind permanent eingeschaltet, solange keine Überlast- oder Kurzschlusssituation vorliegt. Dies ergibt sich aus dem i.d.R. rein mechanischen Konstruktionsprinzip, bei dem Überstromereignisse anhand von thermischen oder magnetischen Kräften erkannt werden und diese Kräfte zur Auslösung des Leistungsschalters, d.h. Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, führen. Auch alle Leistungsschalter mit elektronischer Stromüberwachung, beispielsweise durch eine Steuerungseinheit, z.B. in Form einer elektronischen Auslöseeinheit, wenden dieses Prinzip des permanent geschlossenen Stromkreises, z.B. geschlossene Kontakte, an.That Circuit breakers, as well as fuses, are permanently switched on as long as there is no overload or short-circuit situation. This results from the i.d.R. purely mechanical design principle, in which overcurrent events are detected by thermal or magnetic forces and these forces to trigger the circuit breaker, i. Break in the electrical circuit, lead. Also all power switches with electronic current monitoring, for example by a control unit, e.g. In the form of an electronic trip unit, this principle of the permanently closed circuit, e.g. closed contacts, on.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere eine erhöhte funktionale Sicherheit mittels eines Leistungsschalters zur Verfügung zu stellen.Object of the present invention is to improve a circuit breaker of the type mentioned, in particular to provide increased functional safety means of a circuit breaker.
Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.This object is achieved by a circuit breaker having the features of patent claim 1 or a method having the features of patent claim 17.
Erfindungsgemäß ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises vorgesehen, der bei fehlender Spannung im Niederspannungsstromkreis den Niederspannungsstromkreis unterbricht, d.h. ausgelöst ist, und nur bei Anliegen einer Spannung im Niederspannungsstromkreis ein Einschalten ermöglicht. Dieser Leistungsschalter wird erfindungsgemäß durch ein Netzteil versorgt, dass mit mindestens zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises verbunden ist, so dass eine Spannungsversorgung des Leistungsschalters aus der anliegenden Spannung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.According to the invention, a circuit breaker for interrupting a multi-conductor low-voltage circuit is provided, which interrupts the low-voltage circuit in the absence of voltage in the low-voltage circuit, ie triggered, and only when applying a voltage in the low-voltage circuit allows switching on. This circuit breaker is inventively supplied by a power supply that is connected to at least two conductors of the low-voltage circuit, so that a power supply of the circuit breaker is made from the voltage applied to the low-voltage circuit.
Vorgehsehen ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises, - mit einer Unterbrechungseinheit, zur Unterbrechung mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises, spezieller aller Phasenleiter oder aller Leiter des Niederspannungsstromkreises,
- - mit einen Netzteil, das mit mindestens zwei Leitern, insbesondere mit den Phasenleitern bzw. allen Leitern, des Niederspannungsstromkreises verbunden ist, wobei aus einer Spannungsdifferenz der mindestens zwei Leiter eine Versorgungsspannung für den Leistungsschalter erzeugt wird,
- - mit einer Sensoreinheit zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises, insbesondere der Höhe jedes Phasenleiters bzw. jedes Leiters des Niederspannungsstromkreises,
- - mit einer mit der Unterbrechungseinheit, der Sensoreinheit und dem Netzteil verbundenen Steuerungseinheit, die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung von Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten ein Signal an die Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung mindestens eines Leiters, insbesondere aller Phasenleiter oder aller Leiter, des Niederspannungsstromkreises gesendet wird,
- - dass der Leistungsschalter derart ausgestaltet ist, dass im spannungslosen Zustand des Niederspannungsstromkreises immer mindestens ein Leiter, insbesondere alle Phasenleiter oder alle Leiter, des Niederspannungsstromkreises unterbrochen ist und ein Stromfluss des Niederspannungsstromkreises durch den Leistungsschalter nur bei Vorliegen einer Niederspannung im Niederspannungsstromkreises vorgesehen ist.
- with a power supply which is connected to at least two conductors, in particular to the phase conductors or all conductors, of the low-voltage circuit, a supply voltage for the circuit breaker being generated from a voltage difference of the at least two conductors,
- with a sensor unit for determining the magnitude of the electric current of at least one conductor of the low-voltage circuit, in particular the height of each phase conductor or each conductor of the low-voltage circuit,
- with a control unit connected to the interruption unit, the sensor unit and the power supply, which is designed such that when current or current-time threshold limits are exceeded, a signal is sent to the interrupt unit for interrupting at least one conductor, in particular all phase conductors or all conductors, the low-voltage circuit is sent,
- - That the circuit breaker is designed such that in the de-energized state of the low-voltage circuit always at least one conductor, in particular all phase conductors or all conductors, the low-voltage circuit is interrupted and a current flow of the low-voltage circuit is provided by the circuit breaker only in the presence of a low voltage in the low-voltage circuit.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Leistungsschalter einen funktional sichereren Zustand aufweist. D.h. bei sicherheitsrelevanten Störungen oder Fehlern fällt der Leistungsschalter in einen Zustand zurück, bei dem energiesenkenseitig keine Energie bzw. Spannung zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere nach einem Spannungsausfall werden Verbraucher nicht automatisch wieder mit einer Spannung versorgt. Somit wird eine Gefährdung von Personen und Anlagen durch fehlerhafte Geräte vermieden.This has the particular advantage that the circuit breaker has a functionally safer state. That in the case of safety-related faults or faults, the circuit breaker falls back to a state in which no energy or voltage is made available on the energetic side. In particular, after a power failure consumers are not automatically supplied with a voltage again. Thus, a hazard to persons and equipment is avoided by faulty devices.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Unterbrechungseinheit Kontakte, insbesondere mechanische Kontakte, auf, mit der mindestens ein Leiter, insbesondere die Phasenleiter oder alle Leiter, elektrisch geöffnet oder geschlossen werden. Im Falle von Gleichspannungsstromkreisen bzw. Gleichspannungsnetzten insbesondere der nichtgeerdete Stromleiter, beispielsweise der Leiter mit positiven Potential (bei geerdetem Leiter mit negativem Potential), geöffnet oder geschlossen wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine galvanische Trennung des Stromkreises im geöffneten Zustand erreicht wird.In an advantageous embodiment of the invention, the interruption unit has contacts, in particular mechanical contacts, with which at least one conductor, in particular the phase conductors or all conductors, are electrically opened or closed. In the case of DC voltage circuits or DC voltage in particular the ungrounded conductor, such as the conductor with positive potential (at grounded conductor with a negative potential), is opened or closed. This has the particular advantage that a galvanic isolation of the circuit is achieved in the open state.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Netzteil einen Transformator aufweist, dessen erster Anschluss der Primärwicklung mit einem Leiter verbunden ist und dessen zweiter Anschluss der Primärwicklung mit einem anderen Leiter verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Energieversorgung durch die Spannung des Niederspannungsstromkreises erfolgt. Bisher übliche Energiewandler in Leistungsschaltern, deren Primärseite durch einen Leiter des Niederspannungsstromkreises gebildet wird, können entfallen. Diese funktionieren nur dann, wenn ein Stromfluss mit Leiter vorliegt. Bei keinem bzw. geringen Stromfluss liefern diese Energiewandler keine elektrische Energie.In an advantageous embodiment of the invention, the power supply has a transformer, the first terminal of the primary winding is connected to a conductor and the second terminal of the primary winding is connected to another conductor. This has the particular advantage that a power supply is effected by the voltage of the low-voltage circuit. Previously conventional energy converters in circuit breakers whose primary side is formed by a conductor of the low-voltage circuit can be omitted. These only work if there is a current flow with a conductor. With no or little current flow, these energy converters do not provide any electrical energy.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Netzteil ein Schaltnetzteil. Dies hat den besonderen Vorteil, dass Schaltnetzteile einerseits eine hohe Energieeffizienz aufweisen und andererseits für besonders große Eingangsspannungsbereiche ausgelegt werden können. So kann eine Energieversorgung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Spannungen im Niederspannungsstromkreis zur Verfügung gestellt werden bzw. ein Leistungsschalter kann für verschiedene Spannungen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sind Schaltnetzteile auch für Gleichspannungsnetze vorteilhaft, da hier kein Transformator möglich ist.In an advantageous embodiment of the invention, the power supply is a switching power supply. This has the particular advantage that switching power supplies on the one hand have a high energy efficiency and on the other hand can be designed for very large input voltage ranges. Thus, a power supply can be provided both at low and at high voltages in the low-voltage circuit or a circuit breaker can be provided for different voltages. In particular, switched-mode power supplies are also advantageous for DC voltage networks, since no transformer is possible here.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit einen Stromsensor pro Phasenleiter, insbesondere für jeden Leiter, auf. Insbesondere ist der Stromsensor als Rogowskispule, Hallsensor, AMR-Sensor oder Widerstand ausgestaltet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache und genaue Strommessung in jedem Phasenleiter/Leiter vorgenommen werden kann. Insbesondere bei Gleichspannungsnetzen sind Hallsensoren, AMR-Sensoren oder Widerstände für die Strommessung von Vorteil.In an advantageous embodiment of the invention, the sensor unit has a current sensor per phase conductor, in particular for each conductor. In particular, the current sensor is designed as a Rogowski coil, Hall sensor, AMR sensor or resistor. This has the particular advantage that a particularly simple and accurate current measurement in each phase conductor / conductor can be made. Especially in DC networks are Hall sensors, AMR sensors or resistors for the current measurement of advantage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Schließen des Niederspannungsstromkreises nur ein elektrischer Einschalter am Leistungsschalter vorgesehen. Dieser kann insbesondere als Drucktaster ausgestaltet sein. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Einschalten nur bei vorliegen einer elektrischen Spannung erfolgen kann. Ein mechanisches Einschalten im spannungslosen Zustand wird so verhindert, womit funktionale Sicherheit gewährleistet wird.In an advantageous embodiment of the invention, only one electrical power switch is provided on the circuit breaker for closing the low-voltage circuit. This can be designed in particular as a push button. This has the particular advantage that switching can be done only when there is an electrical voltage. A mechanical switching in the de-energized state is thus prevented, whereby functional safety is ensured.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Öffnen des Niederspannungsstromkreises ein mechanischer Notausschalter vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass für Notfälle der Stromkreis mechanisch unterbrochen werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, a mechanical emergency stop switch is provided for opening the low-voltage circuit. This has the particular advantage that the circuit can be mechanically interrupted for emergencies.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Schließen des Niederspannungsstromkreises ein Motorantrieb vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Einschalten des Niederspannungsstromkreises nur im spannungsführenden Fall möglich ist und so ein Einschalten im spannungslosen Fall verhindert wird, womit funktionale Sicherheit gewährleistet wird.In an advantageous embodiment of the invention, a motor drive is provided for closing the low-voltage circuit. This has the particular advantage that switching on the low-voltage circuit is possible only in the live case and thus switching on in the de-energized case is prevented, whereby functional safety is ensured.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens für einen Phasenleiter, insbesondere für alle Phasenleiter bzw. alle Leiter, neben dem energiequellenseitigen ein energiesenkenseitiger Spannungssensor vorgesehen, der/die mit der Steuerungseinheit verbunden ist/sind. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Spannungsabfall über der Unterbrechungseinheit festgestellt werden kann, der einen Rückschluss auf den Zustand der Unterbrechungseinheit ermöglicht, so dass eventuelle Informationen für einen Austausch der Unterbrechungseinheit, insbesondere bei solchen mit mechanischen Kontakten, vorliegen. Ferner kann geprüft werden, ob nach einem Auslösen des Leistungsschalters die energiesenkenseitige Netzseite spannungsfrei ist. So kann ein Wiedereinschalten auf eine Spannung verhindert werden oder eine synchronisiertes Einschalten erfolgen.In an advantageous embodiment of the invention, at least for one phase conductor, in particular for all phase conductors or all conductors, in addition to the energy source side an energiesenkenseitiger voltage sensor is provided, which is / is connected to the control unit / are. This has the particular advantage that a voltage drop across the interrupt unit can be determined, which allows a conclusion about the state of the interrupt unit, so that any information for replacement of the interrupt unit, especially in those with mechanical contacts, present. Furthermore, it can be checked whether, after triggering the circuit breaker, the power side of the power grid side is de-energized. Thus, a reconnection to a voltage can be prevented or a synchronized switching on done.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperatur der Unterbrechungseinheit sowie des Leistungsschalters vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung des Leistungsschalters erfolgen kann und bei erhöhten Temperaturen eine Auslösung des Leistungsschalters erfolgt / erfolgen kann, um Schäden zu vermeiden.In an advantageous embodiment of the invention, temperature sensors for determining the temperature of the interruption unit and the circuit breaker are provided. This has the particular advantage that a monitoring of the circuit breaker can be done and at elevated temperatures tripping of the circuit breaker / can be done to prevent damage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Steuerungseinheit (ETU) verbundene Kommunikationseinheit (COM) vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass Informationen des Leistungsschalters an ein übergeordnetes Management oder Informationssystem weitergeleitet werden können.In an advantageous embodiment of the invention, a communication unit (COM) connected to the control unit (ETU) is provided. This has the particular advantage that information of the circuit breaker can be forwarded to a higher-level management or information system.
Erfindungsgemäß wird ferner ein korrespondierendes Verfahren für einen Leistungsschalter zur Unterbrechung und Schließung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises beansprucht. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Vorliegen einer Spannung, insbesondere nach dem Wiedervorliegen einer Spannung des Niederspannungsstromkreises:
- - ein vorangegangener Auslösegrund ermittelt wird,
- - die Spannung des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird,
- - die ermittelte Spannung mit einem Minimalspannungsgrenzwert verglichen wird,
- - bei dessen Überschreitung und wenn der vorangegangene Auslösegrund eine Spannungsunterschreitung im Niederspannungsstromkreis war, ein Stromfluss im elektrischen Niederspannungsstromkreis ermöglicht wird.
- - a previous triggering reason is determined,
- - the voltage of the low-voltage circuit is determined,
- the determined voltage is compared with a minimum voltage limit value,
- - When exceeded and if the previous triggering reason was a voltage drop in the low-voltage circuit, a current flow in the low-voltage electrical circuit is enabled.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen einer Spannung des Niederspannungsstromkreises, insbesondere Wiedervorliegen, zuerst ein Selbsttest des Leistungsschalters durchgeführt wird. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein defekter Leistungsschalter keine ungesicherte Energieversorgung zur Verfügung stellt. Somit wird dem Aspekt funktionale Sicherheit weiter Rechnung getragen.In an advantageous embodiment of the invention, in the presence of a voltage of the low-voltage circuit, in particular resubmissions, a self-test of the circuit breaker is performed first. This has the particular advantage that a defective circuit breaker does not provide an unsecured power supply. Thus, the aspect of functional safety continues to be taken into account.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird periodisch:
- - der Strom im Niederspannungsstromkreis ermittelt wird,
- - dieser mit Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten verglichen wird,
- - die Spannung im Niederspannungsstromkreis ermittelt wird,
- - diese mit einen Unterspannungsgrenzwert verglichen wird,
- - bei Überschreiten der Strom- oder Strom-ZeitspannenGrenzwerte oder Unterschreiten des Unterspannungsgrenzwertes eine Unterbrechung des Niederstromkreises sowie eine Speicherung des Auslösegrundes erfolgt, insbesondere in einem nichtflüchtigen Speicher, wie einem EEPROM.
- - the current in the low-voltage circuit is determined,
- - This is compared with current or current-time limit limits,
- - the voltage in the low-voltage circuit is determined,
- - this is compared with an undervoltage limit,
- - If the current or current time span limits are exceeded or the undervoltage limit value is exceeded, a Interruption of the low circuit and storage of the cause of the trip takes place, especially in a non-volatile memory, such as an EEPROM.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass zum einen eine permanente Überwachung des Stromkreises erfolgt und zum anderen der Auslösegrund im Leistungsschalter vorliegt.This has the particular advantage that, on the one hand, a permanent monitoring of the circuit takes place and, on the other hand, there is the cause of the tripping in the circuit breaker.
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 17, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Leistungsschalters zur Erhöhung der funktionalen Sicherheit.All embodiments, both in dependent form based on the claim 1 and 17, as well as referred back only to individual features or combinations of features of claims, cause an improvement of a circuit breaker to increase the functional safety.
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.The described characteristics, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be explained in connection with the drawing.
Dabei zeigt die Zeichnung:
-
1 eine erste Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters, -
2 eine zweite Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters, -
3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Erfindung, -
4 eine Detaildarstellung, -
5 ein erstes Ablaufdiagramm, -
6 ein zweites Ablaufdiagramm.
-
1 a first representation of a circuit breaker according to the invention, -
2 a second representation of a circuit breaker according to the invention, -
3 a schematic diagram for explaining the invention, -
4 a detailed description, -
5 a first flowchart, -
6 a second flowchart.
Der viere Leiter N kann ebenfalls durch Kontakte unterbrochen oder geschlossen werden.The four-wire N can also be interrupted or closed by contacts.
Die Unterbrechungseinheit UE wird beispielsweise durch eine Motoreinheit M angesteuert, wobei der Motor M ausschließlich zum Schließen der Unterbrechungseinheit / Schließen der Kontakte, d.h. schließen des Stromkreises verwendet wird.The interrupt unit UE is driven, for example, by a motor unit M, the motor M being used exclusively for closing the interrupt unit / closing the contacts, i. closing the circuit is used.
Die Unterbrechungseinheit UE kann ferner einen Mechanismus umfassen, derart dass die geschlossenen Kontakte vorgespannt sind und durch eine kleine mechanische Bewegung, beispielsweise durch einen mit der Unterbrechungseinheit UE verbundenen Relaisschalters OS, z.B. in Form eines OFF-Solenoides, geöffnet werden können, so dass der Stromfluss der Leiter durch den Leistungsschalter unterbrochen wird.The interruption unit UE may further comprise a mechanism such that the closed contacts are biased and activated by a small mechanical movement, for example by a relay switch OS connected to the interruption unit UE, e.g. in the form of an OFF solenoid, can be opened so that the current flow of the conductors is interrupted by the circuit breaker.
Ferner kann ein nicht dargestellter mechanischer Not-Aus-Ausschalter vorgesehen sein, mit der die Kontakte geöffnet bzw. der Stromfluss unterbrochen werden kann.Furthermore, an unillustrated mechanical emergency stop switch can be provided, with which the contacts can be opened or the current flow can be interrupted.
Des Weiteren kann die Unterbrechungseinheit UE Positionssensoren POS aufweisen, mit der die Position der Kontakte bzw. ein unterbrochener oder geschlossener Zustand der Unterbrechungseinheit ermittelt werden kann.Furthermore, the interrupt unit UE may comprise position sensors POS with which the position of the contacts or a broken or closed state of the interrupt unit can be determined.
Die Unterbrechungseinheit UE bzw. dessen Steuerelemente, d.h. die Motoreinheit M zum Schließen der Unterbrechungseinheit / Kontakte und der Relaisschalter OS zum Öffnen der Unterbrechungseinheit / Kontakte, sind mit einer Steuerungseinheit ETU verbunden, beispielsweise eine electronic Trip Unit, die z.B. einen Mikroprozessor aufweist. Dabei kann die Verbindung zwischen Steuerungseinheit ETU und Unterbrechungseinheit UE respektive Motoreinheit M und Relaisschalter OS Treibereinheiten DM, DOS aufweisen, zur Verstärkung des Steuersignals bzw. Ansteuerung der Einheiten.The interruption unit UE or its control elements, i. the motor unit M for closing the breaker unit / contacts and the relay switch OS for opening the breaker unit / contacts are connected to a control unit ETU, for example an electronic trip unit, e.g. having a microprocessor. In this case, the connection between control unit ETU and interruption unit UE respectively motor unit M and relay switch OS driver units DM, DOS have, for amplifying the control signal or control of the units.
Die Unterbrechungseinheit kann auch als elektronische Unterbrechungseinheit ausgeführt sein, beispielsweise mit Halbleiterschaltern. Damit entfallen mechanische Motorantriebe zum Schließen und Relaisschalter zum Öffnen. Die Steuerung einen elektronischen Unterbrechungseinheit UE kann voll elektronisch mittels Schließ- und Öffnungssignale durch die Steuerungseinheit ETU erfolgen.The interruption unit can also be designed as an electronic interruption unit, for example with semiconductor switches. This eliminates mechanical motor drives to close and relay switch to open. The control of an electronic interruption unit UE can be carried out fully electronically by means of closing and opening signals by the control unit ETU.
Die vier Leiter
Die drei Phasenleiter
Des Weiteren sind mindestens zwei Leiter, insbesondere die Phasenleiter bzw. alle Leiter mit einem Netzteil VDD verbunden. Dieses erzeugt aus der Spannungsdifferenz zweier Leiter eine Versorgungsspannung für die Steuerungseinheit ETU. Optional für eventuell vorgesehene Treibereinheiten DOS, DM oder/und Motoreinheit M bzw. Relaisschalter OS respektive Unterbrechungseinheit UE.Furthermore, at least two conductors, in particular the phase conductors or all conductors are connected to a power supply VDD. This generates from the voltage difference between two conductors a supply voltage for the control unit ETU. Optional for possibly provided driver units DOS, DM or / and motor unit M or relay switch OS or interrupt unit UE.
Die Versorgungsspannung des Netzteils VDD kann durch einen Energiespeicher Buffer, beispielsweise in Form eines Akkumulators, einer Batterie oder eines Superkondensators, bei Spannungsausfall gestützt sein.The supply voltage of the power supply VDD can be supported by an energy storage buffer, for example in the form of a rechargeable battery, a battery or a supercapacitor in case of power failure.
Die Positionssensoren POS sind ebenfalls direkt oder über eine Treibereinheit DPOS mit der Steuerungseinheit ETU verbunden.The position sensors POS are also connected directly or via a driver unit DPOS to the control unit ETU.
Die Steuerungseinheit ETU ist mit einem elektrischen Einschalter ON, beispielsweise in Form eines Drucktasters verbunden.The control unit ETU is connected to an electrical ON switch ON, for example in the form of a pushbutton.
An der Steuerungseinheit ETU kann ein Eingang für (externen) Unterspannugsschutz UVR, und (externe) Auslösefunktion SHT vorgesehen sein. An diese Anschlüsse können im Rahmen der Installation der Unterbrechungseinheit UE abgesetzte Not-Aus-Ausschalter in funktional sicherer Form angeschlossen werden.On the control unit ETU an input for (external) under-voltage protection UVR, and (external) tripping function SHT can be provided. At these connections, emergency stop switches placed in the course of the installation of the interruption unit UE can be connected in functionally safe form.
Des Weiteren kann die Steuerungseinheit ETU mit einer Kommunikationseinheit COM verbunden sein, zur Übermittlung von Daten bzw. Informationen zu einem anderen Leistungsschalter, Computer oder Überwachungs- bzw. Managementsystem sowie zur Fernsteuerung durch einen Computer bzw. ein (Management-) System.Furthermore, the control unit ETU can be connected to a communication unit COM, for the transmission of data or information to another circuit breaker, computer or monitoring or management system and for remote control by a computer or a (management) system.
Der Leistungsschalter kann ferner Temperatursensoren aufweisen, insbesondere ein Temperatursensor in der Unterbrechungseinheit, spezieller ein weitere im Gerät. Aus der aktuellen Temperatur oder Temperaturdifferenz können Probleme mit der Unterbrechungseinheit oder dem Leistungsschalter erkannt werden.The circuit breaker may further comprise temperature sensors, in particular a temperature sensor in the interruption unit, more particularly another in the device. The current temperature or temperature difference can be used to detect problems with the interrupt unit or circuit breaker.
Die Steuerungseinheit ETU kann ferner mindestens einen Ausgang Out aufweisen, beispielsweise um Informationen anzuzeigen oder Einheiten anzusteuern.The control unit ETU may also have at least one output Out, for example to display information or to control units.
Im Falle eines Gleichspannungsstromkreises respektive Gleichspannungsnetzes sind üblicherweise zwei Leiter vorgesehen, meist ein Plusleiter und ein Minusleiter. D.h. der Leistungsschalter führt in diesem Fall insbesondere nur zwei Leiter bzw. den Strom von zwei Leitern. Für den Fachmann ist daraus resultierende Veränderung des Leistungsschalters klar.In the case of a DC voltage circuit or DC voltage network usually two conductors are provided, usually a positive conductor and a negative conductor. That the circuit breaker leads in this case in particular only two conductors or the current of two conductors. For a person skilled in the resulting change in the circuit breaker is clear.
Prinzipiell stehen für die vorliegende Erfindung Wechselstromanwendungen im Vordergrund, wobei bei Gleichstromanwendungen ebenfalls unterstützt werden.In principle, for the present invention AC applications are in the foreground, which are also supported in DC applications.
Aus der Spannungsdifferenz zwischen energiequellenseitiger und energiesenkenseitiger Spannung kann auf die Eigenschaften der Unterbrechungseinheit, spezieller der Kontakte, geschlossen werden. Ist die Spannungsdifferenz zu groß, d.h. überschreitet sie einen Schwellwert, kann ein Warnsignal gegeben werden, um z.B. die Unterbrechungseinheit bzw. Kontakte zu tauschen.From the voltage difference between the power source side and the power side voltage, it is possible to infer the characteristics of the breaker, more specifically the contacts. If the voltage difference is too large, i. if it exceeds a threshold value, a warning signal may be given, e.g. to exchange the interruption unit or contacts.
Ferner kann ein synchronisiertes Aufschalten auf ein Netz erfolgen, falls weitere Energiequellen Verbraucherseitig vorgesehen sind.Furthermore, a synchronized connection to a network can take place if further energy sources are provided on the consumer side.
In analoger Weise kann ein Netzteil
Nach Initialisierung des Mikrocontroller sowie aller Speicher und Register und dem Laden der Konfiguration im Schritt
In einem Schritt
Ist keine Überlast- oder Kurzschlusssituation vorhanden erfolgt im Schritt
Alternativ kann zusätzlich hinsichtlich der Unterschreitung einer zweiten, noch niedrigeren Basisspannungsgrenze geprüft werden. Dies ist im Schritt
Sobald die Spannung / Primärspannung wieder den sicheren Anlauf von Netzteil
Aus Anwendungssicht ist das beschriebene Verhalten neutral, da mit massiver Unterspannung keine Last betrieben werden kann.From an application point of view, the described behavior is neutral, since with massive undervoltage no load can be operated.
Optional denkbar ist eine Verzögerung der spontanen Unterspannungsauslösung, d.h. Unterschreiten des Minimalspannungsgrenzwertes. Dies erfordert allerdings einen zusätzlichen Pufferspeicher Buffer, der auch die Energie für die zeitliche Überbrückung der permanent stromerregten Relaisspule OS aufbringen muss.Optionally conceivable is a delay of the spontaneous undervoltage release, i. Below the minimum voltage limit value. However, this requires an additional buffer memory buffer, which must also apply the energy for the temporal bridging of the permanently energized relay coil OS.
Wird, bei implementierter Prüfung, die Basisspannungsgrenze nicht unterschritten, erfolgt im Schritt
Ist der Selbsttest erfolgreich, kann hinsichtlich eines Einschaltens am Einschalter ON in einem Schritt
Im negativen Fall von Schritt
Es versteht sich von selbst, dass Veränderungen der Initialisierung und der Hauptschleife möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.It goes without saying that changes of the initialization and the main loop are possible without departing from the scope of the invention.
Im Folgenden soll die Erfindung noch mal mit anderen Worten beschrieben werden.In the following, the invention will be described again in other words.
Funktionale Sicherheit wird heute in fast allen Bereichen des täglichen Lebens in den unterschiedlichsten Formen gefordert (IEC 61508 sowie anwendungsspezifische Normen). Der Anwendungsbereich hat sich vor einiger Zeit aus dem klassischen Bereich höchster Sicherheit, wie beispielsweise in Atomkraftwerken sowie Luft- und Raumfahrt (SIL
Ein Hauptpfeiler funktionaler Sicherheit ist die Forderung, dass alle Systeme einen funktional sicheren Zustand aufweisen müssen, in den das System bei sicherheitsrelevanten Störungen oder -fehlern selbstständig zurückfällt. Der dahinter liegende Gedanke ist die Vermeidung jeder weitergehenden Gefährdung von Personen und Umwelt durch fehlerhafte Geräte. Die Forderung funktionaler Sicherheit ist heute auch für Energieverteilanlagen gerechtfertigt, da von unkontrollierter Einspeisung mit Leistungen im MVA Bereich ein sehr hohes Gefährdungspotential ausgeht. Alle elektrischen Installationen haben einen Hauptschalter, z.B. in Form von Leistungs-, Last- oder Lasttrennschaltern, mit dem die Anlage vom Netz getrennt werden kann. Dies kann zu Wartungszwecken oder in Form einer Notabschaltung geschehen. In elektrischen Antrieben mit elektronischer Regel- und Steuerungstechnik wird der Lasttrennschalter heute automatisch in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Anlage und bei kritischen Anlagenstörungen betätigt. Dieser Hauptschalter ist darüber hinaus häufig mit einer anlagenunabhängigen Schutzfunktion zur Kurzschlusserkennung ausgerüstet. Entsprechende Schalter werden als Leistungsschalter bezeichnet, da diese in der Lage sind ein Vielfaches des Nennstroms zu trennen.One of the main pillars of functional safety is the requirement that all systems must have a functionally safe state, in which the system automatically drops back in the event of safety-relevant faults or faults. The underlying idea is to avoid any further endangerment of persons and the environment due to faulty devices. The requirement of functional safety is justified today also for energy distribution systems, because of uncontrolled feed-in with achievements in the MVA range a very high endangerment potential emanates. All electrical installations have a main switch, e.g. in the form of circuit-breakers, load switches or load-break switches, with which the system can be disconnected from the mains. This can be done for maintenance purposes or in the form of an emergency shutdown. In electrical drives with electronic control technology, today the switch-disconnector is automatically actuated depending on the operating status of the system and critical system failures. In addition, this main switch is often equipped with a system-independent protection function for short-circuit detection. Corresponding switches are referred to as circuit breakers, since they are able to separate a multiple of the rated current.
Unabhängig von dem vorab beschriebenen Anlagenschutz ist bis heute der historisch gewachsene Ansatz üblich, dass Überstromschutzelemente, z.B. in Form von Sicherungen, permanent eingeschaltet sind, solange keine Überlast- oder Kurzschlusssituation erkannt wird. Dieser Ansatz ergibt sich aus dem i.d.R. rein mechanischen Konstruktionsprinzip, dass Überstromereignisse anhand von thermischen oder magnetischen Kräften erkannt werden und diese Kräfte zur Auslösung der Schutzfunktion angewendet werden. Auch alle Leistungsschalter mit elektronsicher Stromüberwachung und Auslöseeinheit (ETU) wenden das Prinzip der permanent geschlossenen Kontaktstrecke an.Regardless of the system protection described above, the historically grown approach is usual until now that overcurrent protection elements, eg in the form of fuses, are permanently switched on as long as no overload or short-circuit situation is detected. This approach results from the generally purely mechanical design principle that overcurrent events are detected by thermal or magnetic forces and these forces are used to trigger the protective function. All too Circuit-breakers with electronic current monitoring and trip unit (ETU) apply the principle of permanently closed contact path.
In Niederspannungsleistungsschaltern wird die Steuerungseinheit ETU häufig aus magnetisch gekoppelten Primärstromwandlern versorgt. Die Steuerungseinheit ETU kann daher nur unter Stromfluss arbeiten, woraus sich ein Problem bei der sicheren Konfiguration des Schalters ergibt. Schwerwiegender als das Konfigurationsproblem wiegt die Tatsache, dass eine potentielle Fehlfunktion wesentlicher Teile der Steuerungseinheit ETU nicht unabhängig vom Laststrom festgestellt werden kann. Im Extremfall des Einschaltens der Netzspannung auf einen hinter dem Leistungsschalter vorhandenen Kurzschluss kann die Auslösung so nicht sicher gestellt werden. Die Schutzfunktion kann versagen und muss durch die redundante Funktion in einer übergeordneten Netzebene aufgefangen werden. In der Folge hat der lokale Kurzschluss die Abschaltung eines viel größeren Netzbereichs zur Folge.In low-voltage circuit-breakers, the ETU control unit is often supplied by magnetically coupled primary current transformers. The control unit ETU can therefore only work under current flow, which results in a problem with the safe configuration of the switch. More serious than the configuration problem weighs the fact that a potential malfunction of essential parts of the control unit ETU can not be determined independently of the load current. In the extreme case of switching on the mains voltage to a short circuit present behind the circuit breaker, tripping can not be ensured. The protection function can fail and must be absorbed by the redundant function in a superordinate network level. As a result, the local short circuit results in the shutdown of a much larger network area.
Kern der Erfindung ist die Funktion des Kontaktsystems an die äußere Netzspannung zu koppeln. Ein elektrischer Energiefluss (Stromfluss) zu den Verbrauchern ohne Netzspannung ist nicht möglich und nicht erwünscht, da es sich bei einem etwaigen Stromfluss um einen Fehl- bzw. Leckstrom handeln muss. Daher sieht die Erfindung vor, das Kontaktsystem ohne anliegende Netzspannung in der geöffneten Stellung zu halten, siehe
Nachfolgende angeordnete Leistungsschalter der erfindungsmäßigen Art verhalten sich genauso. Sie erwachen durch die über den übergeordneten Schalter freigeschaltete Netzspannung. Diese führen die gleichen Bewertungen durch und schließen ebenfalls selbstständig ihr Kontaktsystem.Subsequent arranged circuit breakers of the inventive type behave the same way. They wake up with the mains voltage activated via the higher-level switch. They carry out the same evaluations and also independently close their contact system.
Die Steuerungseinheit ETU weist elektronische Signalverarbeitungselemente auf, wie einen oder mehrere Mikrocontroller, die per Firmware die Signale auswerten und setzen. Dem bzw. den Mikrocontrollern stehen für die Programmausführung flüchtige Speicherelemente (RAM) zur Verfügung. Konfigurationsdaten und aktuelle Zustandsdaten der Firmware werden in einem nichtflüchtigen Speicherelement, wie einem EEPROM oder ähnlich, permanent gespeichert. Die Messsignale der Strom- und Spannungssensoren werden der Steuerungseinheit ETU / verarbeitenden Elektronik zugeführt. Die Steuerungseinheit ETU verarbeitet zusätzlich externe Eingänge für Shunt-Trip SHT, Unterspannungsauslöser UVR und Einschaltsignal ON und bietet Statusmeldeausgänge Out.The control unit ETU has electronic signal processing elements, such as one or more microcontrollers, which evaluate and set the signals by means of firmware. The microcontroller (s) are provided with volatile memory elements (RAM) for program execution. Configuration data and current state data of the firmware are permanently stored in a nonvolatile memory element such as an EEPROM or the like. The measuring signals of the current and voltage sensors are fed to the control unit ETU / processing electronics. The control unit ETU also processes external inputs for shunt-trip SHT, undervoltage release UVR and switch-on signal ON and provides status message outputs Out.
Der Anschluss an ein Netzwerk, wie z.B. Feldbus oder Ethernet, z.B. durch ein Kommunikationsmodul COM, eröffnet weitere digitale Steuerungs- und Meldepfade. Alle eingehenden Signale werden z.B. in Firmware durch den oder die Mikrocontroller der Steuerungseinheit ETU verarbeitet. Die Firmware steuert zusätzlich die Motoreinheit M / den Motorantrieb zum Schließen der Kontakte bzw. Vorspannen des Kontaktsystems. Der Motorantrieb M wird elektronisch geregelt und aus dem Schaltnetzteil an den Primärleitern versorgt. Weiterhin steuert die Firmware eine Relaisschalter OS, wie einen elektromechanischen Spulenantrieb über einen elektronischen Spulentreiber, der ebenfalls aus dem Netzteil VDD versorgt wird. Dieser Relaisschalter schließt das Kontaktsystem oder hält das Kontaktsystem geschlossen, solange der Relaisschalter mit Energie versorgt wird, z.B. per Stromfluss erregt wird. Unterbricht der Stromfluss zum Relaisschalter, so öffnet das Kontaktsystem / die Unterbrechungseinheit selbstständig, z.B. per Federkraft und unterbricht mindestens einen, einen Teil oder alle Leiter, so dass der Stromfluss im Niederspannungsstromkreis unterbrochen wird.The connection to a network, such as fieldbus or Ethernet, eg by a communication module COM, opens up further digital control and signaling paths. All incoming signals are processed eg in firmware by the microcontroller or the control unit ETU. The firmware also controls the motor unit M / the motor drive to close the contacts or biasing of the contact system. The motor drive M is electronically controlled and supplied from the switching power supply to the primary conductors. Furthermore, the firmware controls a relay switch OS, such as an electromechanical coil drive via an electronic coil driver, which is also powered from the power supply VDD. This relay switch closes the contact system or keeps the contact system closed as long as the relay switch is energized, eg, energized by current flow. Interrupts the Current flow to the relay switch, the contact system / the interruption unit opens automatically, for example by spring force and interrupts at least one, a part or all conductors, so that the current flow in the low-voltage circuit is interrupted.
Die Lage wesentlicher beweglicher Teile in der Unterbrechungseinheit / Kontaktsystem und im Motor- bzw. Federantrieb kann durch Positionssensoren POS bestimmt werden und zur Steuerungseinheit übertragen, sowie dort, z.B. in Firmware, verarbeitet werden. Positionsabhängige Zustände und auch Fehlerfälle können so, z.B. per Firmware, erkannt und behandelt werden.The location of significant moving parts in the breaker unit / contact system and in the motor or spring drive can be determined by position sensors POS and transmitted to the control unit, as well as there, e.g. in firmware, to be processed. Position-dependent states as well as error cases can be so, e.g. via firmware, recognized and treated.
Der Leistungsschalter hat keinen mechanisch wirkenden Einschalter. Ein Einschalter, wie ein Druckknopf oder Drucktaster, am Leistungsschalter arbeitet nur als elektrischer Schließkontakt für den elektronischen ON-Eingang.The circuit breaker does not have a mechanically acting on-off switch. A power switch, such as a push button or pushbutton on the circuit breaker works only as an electrical closing contact for the electronic ON input.
Ein mechanisch wirkender Ausschalter ist vorgesehen, da diesem eine redundante (Not-)Ausschaltfunktion zukommt.A mechanically acting switch is provided because it has a redundant (emergency) switch-off function.
Der Ausschalter kann parallel auch als Schließkontakt für das elektronische SHT-Signal, als Öffner für das elektronische UVR-Signal oder anderweitig per Meldekontakt an die Steuerungseinheit ETU ausgeführt werden.At the same time, the switch can also be designed as a make contact for the electronic SHT signal, as a break contact for the electronic UVR signal or otherwise as a signaling contact to the ETU control unit.
Das beschriebene elektromechanische Design stellt die z.B. Firmware, die auf dem Mikrokontroller der Steuerungseinheit ETU verarbeitet werden kann, in den Mittelpunkt der gesamten Funktionskette. Außer der mechanischen (Not-)Ausfunktion existiert keine Steuerungsmöglichkeit für das Kontaktsystem, die nicht per Steuerungseinheit bzw. Firmware gesteuert und kontrolliert wird. Nur die Steuerungseinheit / Firmware steuert alle Aktivitäten und ist somit sicherheitsrelevant zu implementieren. Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit mittels der Steuerungseinheit / Firmware „eigenständige“ Handlungsoptionen auszuführen. So kann die Firmware das Kontaktsystem nicht nur - wie heute üblich - öffnen/auslösen sondern auch schließen, wenn die Betriebssituation dies zulässt.The described electromechanical design represents the e.g. Firmware, which can be processed on the microcontroller of the control unit ETU, at the center of the entire functional chain. Apart from the mechanical (emergency) shutdown, there is no control system for the contact system that is not controlled and controlled by the control unit or firmware. Only the control unit / firmware controls all activities and is therefore safety-relevant to implement. This approach offers the possibility of using the control unit / firmware "independent" action options. Thus, the firmware can not only open / trigger the contact system - as is usual today - but also close it if the operating situation allows it.
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Leistungsschalter mit der Eigenschaft, dass dieser den Zustand der Netzspannung an der Einspeiseseite überwacht und bei Spannungsausfall (=Unterschreiten eines Minimalspannungsgrenzwerts bzw. minimalen Spannungsschwelle) das Kontaktsystem ausgelöst, sowie bei Erreichen der Betriebsspannung wieder selbstständig schließt, insbesondere sofern die vorangegangene Öffnung des Kontaktsystems durch Spannungsausfall verursacht wurde sowie insbesondere keine anderen Zustände dies verhindern.According to the invention, a circuit breaker with the property that this monitors the state of the mains voltage on the feed side and in case of power failure (= falling below a minimum voltage limit or minimum voltage threshold) triggers the contact system, and automatically closes again when reaching the operating voltage, in particular if the previous opening the contact system was caused by power failure and in particular no other states prevent this.
Die Überwachung der Netzspannung erfolgt über Spannungssensoren in der elektronischen Auslöseeinheit. Die Steuerungseinheit ETU wird aus der Netzspannung über ein Weitbereichs(schalt)netzteil versorgt. Ein Pufferspeicher Buffer ist optional in der elektronischen Auslöseeinheit implementiert, zur Überbrückung kurzzeitiger Spannungseinbrüche. In der Steuerungseinheit ETU wird der Auslösegrund dauerhaft gespeichert. Der Auslösegrund wird bei (Wieder-)Anlauf der Steuerungseinheit ETU geladen. Die elektronische Entscheidung zum selbstständigen Schließen des Kontaktsystems erfolgt anhand der Bewertung der aktuellen Netzspannung, der Zustände äußerer Steuer- und Kommunikationskanäle sowie dem letzen Auslösegrund. Das selbstständige Schließen des Kontaktsystems ist/kann zeitlich einstellbar verzögert werden. Ein (Not-)Ausschalter arbeitet redundant zur elektronischen Auslöseeinheit und blockiert das Schließen des Kontaktsystems.The mains voltage is monitored by voltage sensors in the electronic trip unit. The control unit ETU is supplied from the mains voltage via a long-range (switching) power supply. A buffer memory buffer is optionally implemented in the electronic trip unit, to bridge short-term voltage dips. In the ETU control unit, the cause of the trip is stored permanently. The reason for the trip is loaded when (re) starting the control unit ETU. The electronic decision to independently close the contact system is made on the basis of the evaluation of the current mains voltage, the states of external control and communication channels as well as the last triggering reason. The self-closing of the contact system is / can be delayed adjustable in time. An emergency stop switch operates redundantly with the electronic trip unit and blocks the closing of the contact system.
Der Vorteil der Erfindung liegt in der Einführung der Prinzips „Funktionaler Sicherheit“ in Niederspannungsleistungsschalter. Dabei wird besonderer Wert auf den funktional sicheren Grundzustand gelegt. Nur der Zustand mit geöffnetem Kontaktsystem kann als funktional sicher gelten, denn eine Fehlfunktion sicherheitsrelevanter Komponenten im Leistungsschalter könnte andernfalls die Auslösung verhindern. Erfordert eine Anwendung im Feld, dass der sichere Zustand ein geschlossenes Kontaktsystem erzwingt, dann bedeutet dies für den Anlagenentwurf, dass dies nur mit redundanten Leistungsschaltern möglich ist, da der Ausfall einer kritischen Komponente „Leistungsschalter“ durch die parallel betriebene Komponente aufgefangen werden muss.The advantage of the invention lies in the introduction of the principle of "functional safety" in low-voltage circuit breakers. Particular emphasis is placed on the functionally safe ground state. Only the state with the contact system open can be considered functionally safe, as a malfunction of safety-relevant components in the circuit-breaker could otherwise prevent tripping. If an application in the field requires that the safe state enforces a closed contact system, then this means for the system design that this is only possible with redundant circuit breakers, since the failure of a critical component "circuit breaker" has to be absorbed by the parallel-operated component.
Das elektromechanische Gesamtdesign ist soweit vereinfacht, dass nur noch die Steuerungseinheit ETU bzw. deren Firmware alle sicherheitsrelevanten Bedingungen kontrolliert und steuert. Parallele Schaltoptionen sind konsequent eliminiert. Die ETU und deren Firmware muss daher sicherheitsrelevant implementiert werden:
- Nur noch eine elektromechanische Komponente zur Steuerung → Relaisschalter, z.B. als Bereitschaftspule.
- Die Eliminierung redundanter Schaltelemente bietet folgende Vorteile:
- Vereinfachung des mechanischen Designs (→ Kosteneinsparung in Entwicklung und Produktion).
- Kosteneinsparung: Entfall separater SHT, UVR und ON Solenoide, da deren Funktion durch die Steuerungseinheit ETU übernommen wird.
- Only one electromechanical component to control → relay switch, eg as standby coil.
- The elimination of redundant switching elements offers the following advantages:
- Simplification of mechanical design (→ cost savings in development and production).
- Cost savings: no separate SHT, UVR and ON solenoids as their function is taken over by the ETU control unit.
Die Eigenversorgung aus der eingangsseitigen Netzspannung bietet folgende Vorteile:
- Entfall der komplizierten, höchst ineffizienten und teuren Stromwandler für die Eigenversorgung.
- Betriebsbereitschaft der Steuerungseinheit ETU für alle Spannungen oberhalb einer Minimalspannung unabhängig vom Lastzustand, d.h. insbesondere auch bei geöffnetem Kontaktsystem. Damit ist die Steuerungseinheit ETU i.d.R. kommunikationsfähig, ohne eine externe Versorgung über 24V Hilfsspannung o.ä. zur Verfügung zu stellen.
- Energiemonitoring basierend auf dieser Eigenversorgung benötigt keine Hilfsspannung mehr.
- Ohne ausreichende Primärspannung kann das Kontaktsystem nicht geschlossen werden. Damit sind die Geräte auf der Lastseite vor Unterspannung geschützt.
- The elimination of the complicated, highly inefficient and expensive current transformer for self-supply.
- Operational readiness of the control unit ETU for all voltages above a minimum voltage, regardless of the load condition, ie especially when the contact system is open. Thus, the control unit ETU is usually communication capable, without an external supply via 24V auxiliary voltage or similar. to provide.
- Energy monitoring based on this self-supply no longer requires auxiliary voltage.
- Without sufficient primary voltage, the contact system can not be closed. This protects the devices on the load side from undervoltage.
Zusammen mit dem geänderten elektromechanischen Design ergeben sich folgende Vorteile:
- Bei Ausfall der Primärspannung oder unterschreiten einer Unterspannungsschwelle auf einer oder mehreren Phasen öffnet sich das Kontaktsystem und schützt die Last vor Phasenausfall.
- Das Einschalten der Netzspannung auf ein geschütztes Teilnetz mit Kurzschluss ist prinzipiell nicht möglich → Entfall aller Risiken und Schutzmaßnahmen zur Behandlung dieses kritischen Testfalls.
- Ein elektrischer Fehler im Relaisschalter, z.B. Bereitschaftsspule, löst den Leistungsschalter aus, d.h. der sichere Zustand wird selbstständig erreicht. (Heute führt ein elektrischer Fehler im Auslösemagnet zum Versagen der Schutzfunktion.)
- Durch die automatische Abschaltung des Leistungsschalters / Öffnen des Kontaktsystems bei (Primär-)Spannungsausfall ergibt sich für die Anwendung bzw. für den Netzbetreiber der Vorteil, dass das Netz im lastfreien Zustand angefahren werden kann.
- Die Last wird vor den Einschaltschwingungen des Umspanntransformators geschützt.
- Eine Stromversorgung aus Verbrennungsmotor und Generator wird vor der sofortigen Überlastung im Motor- bzw. Generatoranlauf geschützt. Der heute zum Generatoranlauf notwendige Trennschalter entspricht dem hier vorgestellten Konzept und inkludiert die unabhängige Kurzschlussüberwachung.
- If the primary voltage fails or falls below an undervoltage threshold on one or more phases, the contact system opens and protects the load from phase failure.
- Switching the mains voltage on a protected subnetwork with a short circuit is not possible in principle → elimination of all risks and protective measures for the treatment of this critical test case.
- An electrical fault in the relay switch, eg standby coil, triggers the circuit breaker, ie the safe state is reached automatically. (Today an electrical fault in the trip solenoid leads to failure of the protection function.)
- The automatic disconnection of the circuit breaker / opening of the contact system during (primary) power failure has the advantage for the application or for the network operator that the network can be started up in the no-load state.
- The load is protected from the switch-on vibrations of the transformer transformer.
- A power supply from the combustion engine and generator is protected against immediate overload in the motor or generator startup. The disconnector required today for the generator start-up corresponds to the concept presented here and includes the independent short-circuit monitoring.
Diese Erfindung offenbart einen neuen Ansatz für das Systemdesign von Niederspannungsschutzschaltern. Es kombiniert die Schaltfunktion mit der Schutzfunktion und stellt die Aspekte der Funktionalen Sicherheit in den Vordergrund.This invention discloses a new approach to the system design of low voltage circuit breakers. It combines the switching function with the protective function and emphasizes the aspects of functional safety.
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.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the exemplary embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
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