DE102020102399A1 - Schaltungsschutzvorrichtung und - system mit strom versorgungswandlung und - steuerung für dc-lasten - Google Patents

Abstract

Mit Gefährdungsorten konforme Festkörper-Schaltungsschutzvorrichtungen beinhalten mindestens ein Festkörperschaltelement und eine Laststeuerung. Das Festkörperschaltelement arbeitet auf eine bogenfreie Weise, um elektrischen Stromfluss von dem netzseitigen Anschluss zu dem lastseitigen Anschluss zu begrenzen oder auszuschließen. Die Laststeuerung beinhaltet eine Stromwandlerschaltungsanordnung, die eingerichtet ist zum Wandeln einer Wechselstrom(AC)-Stromversorgungseingabe in den netzseitigen Anschluss in eine Gleichstrom(DC)-Stromausgabe an dem lastseitigen Anschluss. Eine oder mehrere DC-Vorrichtungen können an dem lastseitigen Anschluss an den DC-Stromausgang gekoppelt sein.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Das Erfindungsgebiet betrifft allgemein Schaltungsschützer für ein Elektrosystem und insbesondere eine mit einer Gefährdungsumgebung konforme Schaltungsschutzvorrichtung, die eine Stromversorgungswandlung und -steuerung für DC-Lasten aufweist.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Schaltungsschutzvorrichtungen gibt es, um die Bedürfnisse von Elektrosystemen zu befriedigen, die elektrische Leistung an verschiedene elektrische Lasten liefern. Gewisse Arten elektrischer Lasten, beispielsweise Leuchtdioden(LED)-Leuchten benötigen zum Betrieb Gleichstrom(DC)-Leistung mit einer vorbestimmten Spannung und einem vorbestimmten Strom. In bekannten Beleuchtungsanwendungen können an einem Gefährdungsort, wie etwa einer Industrieeinrichtung, in welcher sich entzündbare Gase, Dämpfe oder Substanzen in der Luft befinden können, beispielsweise mehrere LED-Leuchten in Serie angeordnet und geschaltet sein. Zuverlässiger Betrieb solcher DC-Lasten, einschließlich aber nicht notwendigerweise auf LED-Beleuchtungsvorrichtungen beschränkt, ist ein wichtiger Sicherheitsaspekt in Gefährdungsumgebungen.
• Verschiedene Arten von Beleuchtungsarmaturen, die LEDs nutzen, wurden für zahlreiche Arten von kommerziellen und industriellen Umgebungen entwickelt. Herkömmlicherweise beinhalten Beleuchtungsvorrichtungen, wie etwa LED-Leuchten, eine integrierte Stromwandlungsschaltung, derart, dass innerhalb jeder einzelnen LED-Leuchte eine Wechselstrom(AC)-Stromversorgung in eine gewünschte Gleichspannung (DC-Spannung) und einen gewünschten Gleichstrom umgewandelt wird. Solche in jede einzelne LED-Leuchte integrierten Stromwandlungsschaltungen sind allerdings dadurch benachteiligt, dass sie die LED-Leuchten inhärent gegenüber Wärme- und Umweltbedingungen empfindlich machen, die deren Lebenserwartung und Zuverlässigkeit begrenzen, was insbesondere Herausforderungen hinsichtlich von deren Gebrauch und Genuss an Gefährdungsorten darstellt.
• Typischerweise ist jede seriengeschaltete LED-Leuchte in der Gefährdungsumgebung ferner durch eine Schaltungsschutzvorrichtung, wie etwa einen Ausschalter, geschützt. Festkörperausschalter können insbesondere für Anwendungen an Gefährdungsorten gut geeignet sein, um die den elektrischen Lasten in der Gefährdungsumgebung zugeführte Energie zu begrenzen und mögliche Quellen von Zündung von brennbaren Elementen in der Außenumgebung zu verhindern. Ferner können Festkörperausschalter vorteilhafterweise digital gesteuert werden, was es einem Benutzer erlaubt, die Leistungsabgabe zu elektrischen Lasten einzustellen und/oder die Grenzen des Festkörperausschalters einzustellen, um die Schaltungsschutzfähigkeit für spezifische elektrische Lasten maßzuschneidern.
• Herkömmliche Festkörperausschalter sind in manchen Aspekten auf Bestromen von elektrischen DC-Lasten, wie etwa LED-Leuchten, eingeschränkt. Verbesserungen bei Schaltungsschützern und in LED-Leuchten, unter anderen möglichen DC-Lastvorrichtungen, sind demgemäß erwünscht.
• Figurenliste
• Nichtbeschränkende und nichterschöpfende Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei sich über die verschiedenen Zeichnungen hinweg gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile beziehen, soweit nichts anderes angegeben ist.
• 1 ist eine Perspektivansicht einer konformen bogenlosen Schaltungsvorrichtung für Gefährdungsorte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Schaltungsschutzvorrichtung in 1 in einer beispielhaften Festkörperausgestaltung.
• 3 ist ein Blockdiagramm der in 1 und 2 gezeigten Schaltungsschutzvorrichtung.
• 4 ist eine Perspektivansicht einer konformen bogenlosen Schaltungsschutzvorrichtung für Gefährdungsorte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Schaltungsschutzvorrichtung in 4 in einer beispielhaften Hybridausgestaltung.
• 6 ist ein Blockdiagramm der in 4 und 5 gezeigten Schaltungsschutzvorrichtung.
• 7 ist ein Blockdiagramm der Laststeuerungs- und Stromwandlungsschaltungsanordnung zur Verwendung mit den in 1 und 8 gezeigten Schaltungsschutzvorrichtungen.
• 8 ist ein vereinfachtes Schema für ein beispielhaftes Stromwandlungs- und Steuerungssystem, das die in 1-7 gezeigte Schaltungsschutzvorrichtung beinhaltet, die eine kontrollierte DC-Leistung in mehrere DC-Lastvorrichtungen innerhalb eines Gefährdungsorts einspeist.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Um die hier beschriebenen erfinderischen Konzepte in ihrem Gesamtumfang zu verstehen, ist etwas Erörterung des Stands der Technik und gewisser Probleme und Nachteile betreffend gefährdungsumgebungskonforme Schaltungsschutzvorrichtungen im Hinblick auf gewisse Arten von DC-Lasten gerechtfertigt. Solche DC-Lasten können mehrere Leuchtdioden(LED)-Leuchten beinhalten, die innerhalb eines Gefährdungsorts angeordnet und hintereinander- oder seriengeschaltet sind, sind aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt.
• Elektrosysteme werden mitunter innerhalb von Gefährdungsumgebungen betrieben, was ein Explosionsrisiko über Zündung eines Umgebungsgases oder -dampfs, von Staub, Fasern oder Flugmaterialien darstellt. Solche Gefährdungsumgebungen können, nur als Beispiel, in Ölraffinerien, petrochemischen Anlagen, Getreidesilos, Abwasser- und/oder Abwasserbehandlungseinrichtungen sowie anderen Industrieeinrichtungen auftreten, in denen dauerhafte oder vorübergehende Bedingungen der Außenumgebung vorhanden sein können und ein erhöhtes Brand- oder Explosionsrisiko darstellen können. Ein gelegentliches oder kontinuierliches Vorhandensein von luftgeführtem entzündbarem Gas, entzündbaren Dämpfen oder entzündbarem Staub oder anderweitig entflammbaren Substanzen stellt erhebliche Befürchtungen hinsichtlich sicherem und zuverlässigem Betrieb solcher Einrichtungen in ihrer Gesamtheit dar, einschließlich unter anderem von sicherem Betrieb des Elektrosystems selbst, das in manchen Fällen im Normalbetrieb und bei Vorhandensein eines elektrischen Fehlers Kraft herkömmlicher Schaltungsschützervorrichtungen Zündquellen hervorbringen kann. Von daher wurde eine Reihe von Normen verkündet, die Verwendung elektrischer Produkte in Gefährdungsumgebungen betreffen, um die Sicherheit an Gefährdungsorten im Angesicht einer bewerteten Wahrscheinlichkeit einer Explosion oder eines bewerteten Brandrisikos zu verbessern.
• Beispielsweise legt die Norm UL1203 der Underwriter's Laboratories („UL“) die Kriterien für explosionssichere und staubentzündungssichere Elektroausrüstung für Gefährdungsorte dar. Explosionssichere und staubentzündungssichere Gehäuse zum Einschließen oder Eindämmen von Elektroprodukten sind zurzeit verfügbar, einschließlich unter anderem Schaltungsschutzvorrichtungen, die nicht selbst explosionssicher oder staubentzündungssicher sind. In Kombination von angemessenen explosionssicheren und staubentzündungssicheren Gehäusen können Elektroausrüstungshersteller eine UL-Zertifizierung für die Erfüllung der anwendbaren Einstufungsnormen für Gefährdungsorte erhalten, und eine UL-Zertifizierung ist ein wichtiger Aspekt für die Fähigkeit eines Herstellers, Produkte erfolgreich auf den nordamerikanischen Markt oder irgendeinen anderen Markt, der die Norm UL1203 akzeptiert, zu bringen.
• Artikel 500 des National Electric Code (NEC) (Nationale Elektrovorschriften der USA) legt ein Codesystem für Gefährdungsorte dar und der NEC klassifiziert allgemein Gefährdungsorte nach Klasse und Unterteilung. Klasse I-Orte sind diejenigen Orte, an welchen entflammbare Dämpfe und Gase vorhanden sein können. Klasse II-Orte sind diejenigen, an welchen sich brennbarer Staub finden kann. Klasse III-Orte sind jene Orte, welche aufgrund des Vorhandenseins von leicht entzündbaren Fasern oder Flugmaterialien gefährlich sind. Klasse I, Unterteilung 1 deckt Orte ab, an denen unter normalen Betriebsbedingungen, bei häufigem Reparatur- oder Wartungsbetrieb entflammbare Gase oder Dämpfe vorhanden sein können oder an denen Ausfall oder fehlerhafter Betrieb der Prozessausrüstung auch ein gleichzeitiges Versagen von Elektroausrüstung verursachen kann. Klasse I, Unterteilung 2 deckt Orte ab, an denen entflammbare Gase, Dämpfe oder flüchtige Flüssigkeiten entweder in einem geschlossenen System gehandhabt werden oder innerhalb von geeigneten Gehäusen umschlossen werden, oder wo gefährliche Konzentrationen normalerweise durch positive mechanische Belüftung verhindert werden. An Orte der Unterteilung 1 angrenzende Bereiche, in die gelegentlich Gase einfließen könnten, würden ebenfalls zur Unterteilung 2 gehören. Ähnliche Unterteilungen sind in dem NEC für die verbliebenen Klassen definiert.
• Die International Electrotechnical Commission (IEC) (Internationale Elektrotechnische Kommission) kategorisiert gleichermaßen Gefährdungsorte in Zone 0, 1 oder 2, die Orte repräsentieren, an denen entflammbare Gase oder Dämpfe in einer Menge luftgeführt werden oder werden können, die ausreichend ist, explosive oder entzündbare Gemische zu produzieren. Wie in der IEC definiert ist, ist ein Zone 0-Ort ein Ort, an dem entzündbare Konzentrationen von entflammbaren Gasen oder Dämpfen unter Normalbetriebsbedingungen wahrscheinlich vorhanden sind; oder an dem häufig, wegen Reparatur- oder Wartungsbetriebs oder wegen Leckage, entzündbare Konzentrationen von entflammbaren Gasen oder Dämpfen vorhanden sein können; oder an dem eine Ausrüstung betrieben wird oder Prozesse von solcher Natur ausgeführt werden, dass Ausrüstungsausfall oder fehlerhafter Betrieb zur Freisetzung von entzündbaren Konzentrationen von entflammbaren Gasen oder Dämpfen führen könnte und auch gleichzeitiges Versagen von Elektroausrüstung in einem Modus verursachen könnte, der bewirkt, dass die Elektroausrüstung zu einer Zündquelle wird; oder der an einen Zone 1-Ort angrenzt, von dem aus sich entzündbare Konzentrationen von Dämpfen ausbreiten könnten.
• Obgleich die IEC-Zone 1 und die NEC-Unterteilung 2 etwas unterschiedlich ausgedrückt sind, konvergieren sie bei der Bewertung von Gefährdungsumgebungen im Allgemeinen zu gemeinsamen Orten. Angesichts moderner Umweltregelungen und der konzentrierten Natur von Unterteilung 1- und Zone 0-Anwendungen ist die meistgefährdende Ausrüstung, insbesondere Schaltanlagenprodukte eines Elektrosystems, zur Verwendung in Unterteilung 2- oder Zone 1 (oder 2)-Bereichen installiert. In Anbetracht der Tatsache, dass Elektrovorrichtungen, wie etwa die nachstehend beschriebenen, unter gewissen Umständen Zündquellen sein können, werden explosionssichere, flammensichere oder zündsichere Gehäuse herkömmlicherweise an NEC Unterteilung 2-Orten und/oder IEC Zone 1-Orten bereitgestellt, um Elektrovorrichtungen zu behausen, die ansonsten ein mögliches Zündungsrisiko darstellen. Die Begriffe „explosionssicher“ oder „flammensicher“ betreffen in diesem Zusammenhang Gehäuse, die dafür designt sind, in der Lage zu sein, eine interne Explosion eines spezifizierten entflammbaren Dampf-Luft-Gemischs einzudämmen. Zusätzlich müssen explosionssichere oder flammensichere Gehäuse hinsichtlich der umgebenden Atmosphäre bei einer sicheren Temperatur arbeiten.
• Verfügbare explosionssichere, flammensichere oder zündungssichere Gehäuse sind wirksam zum Bereitstellen von sicherem Betrieb von mechanischen Schaltvorrichtungen an dem NEC Unterteilung 1- oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1 -Ort, erzeugen allerdings im Allgemeinen zusätzliche Kosten, nehmen wertvollen Raum in dem Elektrosystem ein und zwingen der Installation und der Instandhaltung eines Elektrosystems mit der Zeit gewisse Bürden auf. Um Zugang zum Abklemmen von Vorrichtungen im Innern der explosionssicheren Gehäuse zu erlangen, bedarf es typischerweise eines zeitaufwändigen Entfernens einer Reihe von Befestigungselementen, und nachdem irgendwelche Wartungsprozeduren abgeschlossen sind, müssen alle Befestigungselemente wieder richtig angebracht werden, um die gewünschte Sicherheit des explosionssicheren Gehäuses zu gewährleisten. Während Wartungsprozeduren wird der Bereich, in welchem sich die Trennvorrichtungen befinden, typischerweise auch außer Betrieb gesetzt (d. h. abgetrennt), wobei zugehörige lastseitige Prozesse abgeschaltet werden, um während der Wartungsprozedur die Sicherheit zu gewährleisten. Solche Abschaltungen sind aus der Perspektive der Industrieeinrichtung teuer, und Begrenzen oder Verkürzen der Abschaltauszeit ist wichtig. Es wäre daher in manchen Fällen wünschenswert, wenn die explosionssicheren Gehäuse an einem NEC Unterteilung 1- oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1-Ort abgeschafft werden könnten, während weiter eine sichere Trennfunktionalität in einer Gefährdungsumgebung bereitgestellt wird. Um dieses zu erreichen, werden Schaltungsschutzvorrichtungen benötigt, die zur Verringerung von Zündungsrisiken designt sind, zurzeit aber im Allgemeinen nicht existieren.
• Festkörpertrennvorrichtungen sind bekannt, die die gewünschte Trennfunktionalität über Halbleiterschalter oder Halbleiterbauelemente liefern, wie etwa unter anderem Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und andere bekannte Elemente, die auf bekannte Weise elektronisch arbeiten, um Stromfluss durch die Vorrichtung auszuschließen und daher, als Reaktion auf vorbestimmte Schaltungsbedingungen, die netzseitige Schaltungsanordnung elektrisch von der lastseitigen Schaltungsanordnung zu isolieren, ohne mechanische Schaltkontakte zu nutzen. Solche Festkörperschalter können in Ausschaltervorrichtungen implementiert sein oder in Kombination mit Sicherungen verwendet werden, um elektrische Fehlerbedingungen auf automatische Weise anzugehen.
• Festkörperschalter schaffen nutzbringenderweise elektrischen Funkenüberschlag ab, der wie oben beschrieben mit der Verschiebung von mechanischen Schaltkontakten zusammenhängt, können aber trotzdem über durch die Festkörperschalter im Gebrauch erzeugte Wärme weiter mögliche Zündquellen darstellen. In Abhängigkeit von der Art und der Konzentration von brennbaren Elementen an dem Gefährdungsort kann die Oberflächentemperatur der Festkörperschaltervorrichtungen auf den Punkt ansteigen, an welchem spontane Entzündung aufgrund der Flammtemperatur des bestimmten Gases oder der entzündbaren Substanz an dem Gefährdungsort auftreten kann, selbst wenn beim Schaltbetrieb der Vorrichtung kein Funkenüberschlag auftritt.
• Sogenannte Hybrid-Trennvorrichtungen sind ebenfalls bekannt, die eine Kombination von Halbleiterschaltern oder Halbleiterbauelementen und mechanischen Schaltkontakten aufweisen. Solche Hybridvorrichtungen können gleichermaßen in Ausschaltervorrichtungen implementiert oder in Kombination mit Sicherungen verwendet werden, um elektrische Fehlerbedingungen auf automatische Weise anzugehen. Hybrid-Trennvorrichtungen weisen aus der Perspektive von möglichen Zündungsquellen an einem Gefährdungsort eine Mischung der oben erörterten Schwierigkeiten auf und adäquate Sicherheit kann bei Fehlen einer komplementären Verwendung eines explosionssicheren Gehäuses an einem NEC Unterteilung 2- oder einem IEC Zone 1-Ort nicht gewährleistet werden.
• Unter anderen Arten von Elektrolastvorrichtungen sind LED-Leuchten und LED-Beleuchtungsvorrichtungen verfügbar, die Materialien und eine Konstruktion von hochbelastbarer Art aufzeigen, um die erwünschten Sicherheitsbedürfnisse und Anforderungen für sicheren Betrieb in Gefährdungsumgebungen, wie den oben beschriebenen, zu erfüllen. Insbesondere wurden LED-Beleuchtungsarmaturen, einschließlich sogenannter Leuchten, für Beleuchtungsaufgaben in harschen und Gefährdungsumgebungen entwickelt, wie etwa als explosionsgeschützt designt. Solche Beleuchtungsarmaturen sind ohne Filament oder brechbares Glas als schlag- und vibrationsresistent für einen sofortigen Start mit instantaner Vollbeleuchtung, keiner Lebensdauerreduktion aufgrund von Schaltzyklen und reduzierten Entsorgungskosten konstruiert.
• Zusätzlich zu den oben erörterten Gefährdungsorten erfordern sogenannte harsche Orte auch spezielle Aufmerksamkeit beim Design von damit verwendeten Beleuchtungsarmaturen. Harsche Orte können korrosive Elemente und dergleichen in der Atmosphäre mit sich bringen, die nicht notwendigerweise explosiv sind und/oder Temperaturzyklen, Druckzyklen, Schlag- und/oder mechanischen Vibrationskräften unterliegen, die typischerweise in nichtharschen Betriebsumgebungen nicht vorhanden sind. Natürlich sind manche Orte, an denen LED-Beleuchtungsarmaturen wünschenswerterweise eingesetzt werden, in ihrer Natur sowohl harsch als auch gefährdend und daher sind Hochbelastungsarmaturen dafür designt, verschiedenen Betriebsbedingungen zu widerstehen, denen typischere Beleuchtungsarmaturen für andere Verwendungen nicht standhalten könnten.
• Herkömmliche LED-Leuchten oder LED-Beleuchtungsvorrichtungen, ob nun für Verwendung an einem harschem und gefährdenden Ort oder für Verwendung an nichtharschem und nichtgefährdendem Ort, beinhalten typischerweise eine integrierte Stromwandlungsschaltungsanordnung, die eine Eingangswechselstrom(AC)-Stromversorgungsquelle in einen Ausgangsgleichstrom (DC) innerhalb jeder einzelnen LED-Leuchte zum Bestromen der Beleuchtung davon umsetzt. In manchen Fällen können viele LED-Leuchten innerhalb eines Gefährdungsorts in Serie geschaltet sein, wobei alle und jede einzelne Leuchte eine Stromwandlungsschaltungsanordnung aufweist. Über eine große Anzahl von solchen Vorrichtungen hinweg können die Kosten des integrierten Stromwandlers in jeder Vorrichtung eine substantielle Komponente der Kosten des Installierens von LED-Beleuchtungssystemen in einer großen Einrichtung sein.
• Auch ist der zuverlässige Betrieb solcher LED-Leuchten eine wichtige Sicherheitsbetrachtung beim Normalbetrieb einer Industrieeinrichtung, sowie in Notfallsituationen, allerdings sind die integrierten Leistungswandler in der Vorrichtung anfällig für Zuverlässigkeitsschwierigkeiten, die den gewünschten Betrieb der LEDs negativ beeinflussen können (z. B. Abdimmen oder Flackern der LEDs), oder die Stromwandler können einfach ausfallen und die LEDs vollständig außer Betrieb setzen. Da die Stromwandlerschaltung in die Vorrichtung integriert ist, muss die gesamte LED-Vorrichtung ersetzt werden.
• Angesichts des Obigen sind daher einfachere und kosteneffizientere LED-Leuchten und Beleuchtungsarmaturen für harsche und gefährdende Umgebungen erwünscht, die einfacher und billiger herzustellen sind, die die Bedürfnisse verschiedener Installationen flexibler erfüllen können. Kostenreduktion und Zuverlässigkeitsverbesserungen werden benötigt, um die langanhaltenden und unerfüllten Marktbedürfnisse zu erfüllen, insbesondere für Schaltungsschützer, die Ausgangsleistung für DC-Elektrolasten liefern, die in harschen und gefährdenden Umgebungen betrieben werden.
• Diese und andere Nachteile im Stand der Technik werden mittels einer Schaltungsschutzvorrichtung in hier beschriebenen Ausführungsformen überwunden, die eine Laststeuerung beinhaltet, die eine Stromwandlungsschaltungsanordnung aufweist, die betrieben wird zum Wandeln einer AC-Stromversorgungseingabe von einem netzseitigen Anschluss in eine DC-Leistungsabgabe an einem lastseitigen Anschluss. Demnach benötigen DC-Elektrolasten, wie etwa mit der DC-Leistungsabgabe des lastseitigen Anschlusses verbundene LED-Leuchten, keine herkömmliche in das Design der LED-Leuchte integrierte Stromwandlungsschaltungsanordnung. Durch Abschaffen solcher integrierter Stromwandler können LED-Leuchten im Vergleich mit herkömmlichen LED-Leuchten zu reduzierten Kosten hergestellt werden.
• Insbesondere ist die Wandlung und Steuerung des elektrischen Stroms in eine Schaltungsschützervorrichtung, wie etwa eine Festkörperausschaltervorrichtung und/oder eine Hybrid-Ausschaltervorrichtung, integriert, wodurch jegliche Notwendigkeit, dass LED-Leuchten Stromwandler oder Steuerungselemente aufweisen müssen, beseitigt wird. Von daher kann der erfindungsgemäße Ausschalter zusätzlich eine gesteuerte DC-Leistung an jede seriengeschaltete LED-Leuchte ausgeben, während gleichzeitig ein Schaltungsschutz für alle der verbundenen LED-Leuchten bereitgestellt wird. Ferner können die Stromwandlungs- und Steuerungsmerkmale des Ausschalters für sicheren Betrieb an einem Gefährdungsort selektiv an die DC-Ausgangsleistung bei optimalen Pegeln für unterschiedliche DC-Elektrolasten, einschließlich verschiedener Arten von LED-Leuchten und Nicht-LED-Elektrolasten, angepasst werden.
• Ausführungsbeispiele von Schaltungsschutzvorrichtungen werden hier beschrieben, die insbesondere die Sicherheitsbedürfnisse und - anforderungen zur Konformität mit den anwendbaren Normen in einem NEC Unterteilung 1 oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort angehen, ohne notwendigerweise ein separat bereitgestelltes explosionssicheres, flammsicheres oder zündsicheres Gehäuse für den Schaltungsschützer zu benötigen. Von daher und über die Abschaffung des separat bereitgestellten explosionssicheren, flammsicheren oder zündsicheren Gehäuses können die hier beschriebenen beispielhaften Schaltungsschutzvorrichtungen in einem Elektrosystem zu reduzierten Kosten und in einem reduzierten Raumumfang in elektrischen Schalttafeln, Steuerungszentren und dergleichen implementiert werden. Die hier beschriebenen beispielhaften Schaltungsschutzvorrichtungen können in einem modularen und konfigurierbaren System bereitgestellt werden, das eine ökonomischere Installation, Wartung und Überwachung des Elektrosystems an einem harschen und gefährdenden Ort erleichtert. Verfahrensaspekte werden teilweise ausführlich erörtert und sind anhand der folgenden Beschreibung teilweise offensichtlich.
• Obgleich die folgende Erörterung im Zusammenhang mit DC-Lasten, wie etwa LED-Beleuchtungsvorrichtungen, eine elektrische Leistung zuführenden Ausschaltervorrichtungen vorgenommen wird, sind die nachstehenden erfinderischen Konzepte nicht notwendigerweise auf LED-Beleuchtungsvorrichtungen beschränkt und können stattdessen breit auf andere Arten von DC-Lastvorrichtungen, die ähnliche Schwierigkeiten aufzeigen, angewandt werden. Obgleich die erfinderischen Konzepte im Zusammenhang mit Gefährdungsorten, wie etwa NEC Unterteilung 1 und 2-Orten oder IEC Zone 1 oder 2-Orten, beschrieben werden, sind die Nutzen der beschriebenen Konzepte gleichermaßen nicht notwendigerweise auf NEC Unterteilung 1 oder 2-Orte oder IEC Zone 1 oder 2-Orte beschränkt und können stattdessen breiter gefasst auf andere Arten von Gefährdungsumgebungen angewandt werden und können auf Wunsch in manchen Aspekten nutzbringend zur Verwendung an nichtgefährdenden Orten vorgesehen sein.
• 1 ist eine Perspektivansicht einer konformen Schaltungsschutzvorrichtung für Gefährdungsumgebungen 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsschutzvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 102 auf, das gegenüberliegende Längsseiten 104, 106 und gegenüberliegende Lateralseiten 108, 110 aufweist, die hinsichtlich der Längsseiten 104, 106 orthogonal angeordnet sind. Das Gehäuse 102 beinhaltet auch eine Vorderseite 112 und eine Rückseite 114. Die Vorderseite 112 kann eine optionale Digitalanzeige 116 beinhalten, die als eine Benutzerschnittstelle für die Schaltungsschutzvorrichtung 100 fungiert. Wie gezeigt gibt die Anzeige 116 einer Person in der Nähe der Schaltungsschutzvorrichtung 100 und der Anzeige 116 Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Energiemessungen visuell an. Das Gehäuse 102 der Schaltungsschützervorrichtung 100 ist aus einem strategisch ausgewählten oder anderweitig maßgeschneidert formulierten Material (oder Materialien) fabriziert, um allen möglichen elektrischen Betriebsbedingungen standzuhalten, und insbesondere allen möglichen elektrischen Fehlerbedingungen, einschließlich gleichzeitiger Fehlerbedingungen, die von Elektrosystemen, die an einem NEC Unterteilung 1 oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort geschützt werden, präsentiert werden können.
• Zwecks Konformität an einem NEC Unterteilung 1-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort müssen die Gehäusestruktur und das Gehäusematerial gleichermaßen weiter formuliert sein, um eine adäquate Stärke bereitzustellen, um Schlag- und Aufschlagkräften standzuhalten, die in einer Explosionsumgebung real sein können, sowie chemischen Widerstand zu liefern, um der Exposition gegenüber Chemikalien in der Explosionsumgebung standzuhalten, die ansonsten die Unversehrtheit der Vorrichtung 100 negativ beeinflussen könnten. So wie er hier verwendet wird, betrifft „chemischer Widerstand“ die Stärke des Gehäusematerials zum Schutz gegen chemischen Angriff oder Lösemittelreaktion. Chemischer Widerstand in dem Gehäuse 102 ist das Gegenteil von chemischer Reaktivität, die eine unerwünschte chemische Auswirkung verursachen kann, wenn das Gehäuse 102 gewissen Chemikalien ausgesetzt ist, und/oder die unerwünscht Wärme erzeugen und die Temperatur des Gehäuses 102 anheben kann. Chemischer Widerstand über wenig oder keine Reaktivität mit spezifischen Chemikalien betrifft die Widerstandsfähigkeit des Gehäuses 102 gegenüber korrosiven oder ätzenden Substanzen in der Umgebung, einschließlich unter anderem luftgetragenen Gasen und Dämpfen. Bei der Vorrichtung 100 ist chemischer Widerstand für alle Materialien und die Struktur wichtig, die zu der hier beschriebenen Konformität für einen Gefährdungsort beitragen.
• UL 1203 definiert chemisches Testen, das angewandt werden kann, um zu bestimmen, ob irgendeine Formulierung eines Kandidatenmaterials für das Gehäuse 102 für Explosionsumgebungsorte chemisch widerstehend ist. Insbesondere erfordert chemisches Testen gemäß UL 1203 Mustergehäuse, die aus der Formulierung eines Kandidatenmaterials in der gewünschten Gehäusestruktur hergestellt werden müssen, und dass die Mustergehäuse für einen vorbestimmten Zeitraum länger gesättigten Dämpfen in der Luft, einschließlich einer Reihe von vorgegebenen Chemikalien, ausgesetzt werden müssen. Die vorgegebenen Chemikalien für chemisches Testen gemäß UL 1203 beinhalten Essigsäure, Azeton, Ammoniumhydroxid, ASTM-Referenzkraftstoff C, Diethylether, Ethylazetat, Ethylendichlorid, Furfural, n-Hexan, Methylethylketon, Methanol, 2-Nitropropan und Toluol. Verschiedene Mustergehäuse werden jeder Chemikalie für einen vorbestimmten Zeitraum ausgesetzt und nach dem Aussetzen mit jeder Chemikalie werden die Gehäuse inspiziert, um zu gewährleisten, dass die Gehäusestruktur der Muster nicht beeinträchtigt ist oder Anzeichen von Verschlechterung über beispielsweise Entfärbung, Schwellen, Schrumpfen, Rissbildung, Brechen, Auswaschen oder Auflösen zeigt. Mustergehäuse, die die Inspektion bestehen, werden dann einem Bruchtest unterzogen und mit den Ergebnissen eines Bruchtests vor dem Aussetzen mit Chemikalien verglichen. Falls die Brechkraft der chemisch getesteten Mustergehäuse zeigt, dass die chemisch getesteten Mustergehäuse mindestens 85% der entsprechenden Brechkraft wie vor der chemischen Aussetzung standhalten, sind die Mustergehäuse mit UL 1203 konform.
• Das Gehäuse 102 sollte, über das Material, aus dem es hergestellt wurde, gleichermaßen eine chemische Kompatibilität mit spezifischen Chemikalien zeigen, die an einem gegebenen NEC Unterteilung 1 oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort vorhanden sind. Chemische Kompatibilität betrifft die Stabilität des Gehäuses, wenn es in der Gefährdungsortsumgebung Substanzen ausgesetzt wird. Falls das Gehäuse 102 mit einer Substanz in der Umgebung chemisch reagiert, wird es als inkompatibel angesehen. Demnach ist Kompatibilitätstesten nichtsdestotrotz angeraten, um angesichts der Anzahl von verschiedenen korrosiven oder ätzenden Chemikalien und Substanzen, die über das Spektrum von Industrieeinrichtungen hinweg verwendet werden, eine chemische Kompatibilität zu bestätigen. Unterschiedliche Einrichtungen, die unterschiedliche ätzende oder korrosive Substanzen involvieren, verlangen möglicherweise nach Gehäusen aus anderen Materialien, um die vorliegenden Schwierigkeiten anzugehen. Strategische Auswahl und maßgeschneiderte Formulierung von Gehäusematerialien kann für manche Explosionsumgebungen nötig sein, wenn eine universell optimale Gehäuse- oder Materialformulierung nicht praktisch bestimmt oder wirtschaftlich beschafft werden kann. In manchen Fällen kann UL 1203-Konformität für das Gehäuse einen Bedarf für Testen der chemischen Kompatibilität in ausgewählten Einrichtungen überflüssig machen und Testen der chemischen Kompatibilität kann demnach als optional angesehen werden.
• Das zur Herstellung des Gehäuses 102 verwendete Material kann gleichermaßen strategisch ausgewählt oder anderweitig formuliert sein sowie mit spezifischer Struktur ausgebildet sein, um im Betrieb Wärmemanagement und Oberflächentemperaturziele für die Vorrichtung 100 zu erreichen. Manche Gehäusematerialien können bessere thermische Leistungsfähigkeit zum Verteilen und Ableiten von Wärme als andere Materialien zeigen. Beispielsweise können spezielle Polymerharze ausgewählt oder maßgeschneidert und formuliert oder verarbeitet werden, um eine Gehäuse 102 zu realisieren, das die thermische Leistungsfähigkeit der Vorrichtung 100 im Gebrauch verbessern wird, wenn das Elektrosystem geschützt wird, sowohl im Innern des Gehäuses 102 als auch auf dessen äußerem Oberflächengebiet, so dass die Temperatur des äußeren Oberflächengebiets auf einem Niveau unterhalb der Temperatur gehalten wird, die an einem NEC Unterteilung 1 oder 2-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort eine Zündung verursachen könnte.
• Für ein beliebiges gegebenes Gehäusematerial können die Gestalt und der Formfaktor des Gehäuses 102, einschließlich Abmaßen, Konturen usw., die thermische Gesamtleistungsfähigkeit und Oberflächentemperatur positiv oder negativ variieren. Beispielsweise wird ein Gehäuse, für gegebene Vorrichtungsnenndaten und gegebene Betriebsspannung und gegebenen Betriebsstrom des Elektrosystems, das einen größeren Außenoberflächeninhalt aufweist, im Allgemeinen im Gebrauch im Vergleich zu einem Gehäuse, das einen kleineren Außenoberflächeninhalt aufweist, die Oberflächentemperatur reduzieren. Die Gehäusestruktur kann dafür designt sein, die Gesamtpackungsgröße und Konfiguration mit thermischer Leistungsfähigkeit zu optimieren und auszubalancieren.
• Bei manchen Ausführungsformen kann das Gehäuse 102 aus Metall oder Metalllegierungen, nicht metallischen isolierenden Materialien, wie etwa hochfeste Hochleistungskunststoffe, oder Kombinationen von metallischen und nichtmetallischen Materialien hergestellt sein, um die thermische Leistungsfähigkeit und die anderen obigen Erwägungen, namentlich Schlagwiderstand und chemischer Widerstand, zu variieren. Gänzlich oder teilweise gekapselte Gehäusekonstruktionen sind gleichermaßen möglich. In manchen Fällen kann das Innere des Gehäuses 102 gleichermaßen gänzlich oder teilweise mit dielektrischem Material, dielektrischem Fluid, Vergussmaterialien oder anderen Füllermedien, wie etwa Sand, gefüllt sein, um Wärme und Energie von energiebeaufschlagten elektrischen Leitern und Schaltkomponenten in der Vorrichtung 102 einzudämmen, zu absorbieren oder abzuleiten, um zu gewährleisten, dass die Oberflächentemperatur des Gehäuses 102 unter einer ausgewählten Zieltemperatur bleibt, um eine Vorrichtung 100 bereitzustellen, die eine gewünschte Temperaturklassifizierung oder gewünschte Temperaturnenndaten aufweist.
• Abgesehen von den bei dessen Herstellung genutzten Materialien könnte die Struktur des Gehäuses 102 gleichermaßen unter Berücksichtigung von Wärmeverteilung und -ableitung designt sein. Das Gehäuse kann strategisch strukturiert sein, um mehr als ein Gehäusematerial überall oder an speziell gezielten Orten in dem Gehäuse 102 aufzuweisen. Gehäuseunterstrukturen könnten unabhängig hergestellt und für Zusammenbau bereitgestellt werden, um zusätzliche Wärmeisolation oder Wärmeleitung in gewünschten Gebieten des Gehäuses bereitzustellen, um Wärme auf strategische Weise an ausgewählten Orten selektiv einzudämmen und zu verteilen. Eine Wanddicke des Gehäuses 102 könnte gleichermaßen variiert werden, um einen größeren oder kleineren Grad an Wärmeleitung und Wärmeableitung in ausgewählten Anteilen der Struktur oder in gewissen Gebieten der Gehäusestruktur an den meistgewünschten Orten bereitzustellen. Verrohrung, Kanäle oder Taschen können ausgebildet sein, um erzeugte Wärme strategisch aufzufangen und zur Ableitung effizienter an gewünschte Orte zu leiten. Kühlkörpermaterialien und dergleichen können enthalten sein, um Wärmeabsorption und -ableitung zu verbessern. Aktive Kühlelemente sind gleichermaßen möglich, in denen Kühlfluide über oder durch die Gehäusestruktur geführt werden, wobei die Gehäusestruktur eine passende Struktur aufweist, um aktive Kühlung zu erleichtern.
• In angedachten Ausführungsformen könnten aktive Kühlelemente unabhängig oder separat bereitgestellt sein, wie etwa in einer Verteilerkastenanwendung, in der eine Reihe von Vorrichtungen 100 vorgesehen sein kann, mit einem aktiven Kühlsystem, das der kumulierten Erzeugung von Wärme in dicht positionierten Vorrichtungen 100 entgegenwirkt und Temperatureffekte abmildert, die die Vorrichtungen 100 aufeinander ausüben können. Das aktive Kühlsystem kann Kühllüfter oder -pumpen beinhalten, die Fluide in oder um eine Reihe von Vorrichtungen 100 herum zirkulieren, um Oberflächentemperaturen effektiv zu managen. Die Temperatursensoren 158 (3) aufweisenden Vorrichtungen 100 können Rückmeldesignale an ein aktives Kühlsystem liefern, um bei Bedarf einzuschalten und ansonsten abzuschalten. Thermoelektrik kann ebenfalls eingesetzt werden sowie Rückkopplungsschleifen mit der DC-Lastausrüstung, um den verfügbaren Strom durch die Vorrichtung zu reduzieren (wodurch Wärme reduziert wird).
• Die obigen Wärmemanagementbetrachtungen können in vielfältigen verschiedenen Kombinationen verfolgt werden, von denen manche einem Bedarf nach anderen der Betrachtungen entgegenwirken oder diesen überflüssig machen. Beispielsweise kann aktive Kühlung in manchen Anwendungen eine Notwendigkeit für gewisse Merkmale des beschriebenen Gehäuses überflüssig machen, wie etwa eine ausgefeiltere Gestalt und einen ausgefeilteren Formfaktor zum Ableiten von Wärme über ein relativ komplexes Oberflächengebiet.
• Die Lateralseiten 108, 110 des Gehäuses 102 beinhalten jeweils Verbindungseinsenkungen 118, 120, 122 für jeweilige Verbindung mit einer netzseitigen und lastseitigen Schaltungsanordnung. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind drei Verbindungseinsenkungen 118, 120, 122 für eine jeweilige Verbindung mit einer Drei-Phasen-Stromversorgung vorgesehen, d. h. eine Wechselstrom(AC)-Stromversorgung auf einer der Seiten 108, 110 und mit einer Gleichstrom(DC)-Lastvorrichtung auf der anderen. Die Vorrichtung 100 ist wie gezeigt als ein Ausschalter ausgelegt, der mindestens ein Festkörperschaltelement und eine Laststeuerung mit Stromwandlungsschaltungsanordnung aufweist. Dementsprechend ist die Vorrichtung 100 eine Mehrzweck-Schaltungsschutzvorrichtung, die als Reaktion auf vorbestimmte Überstrombedingungen automatischen Schaltungsschutz bereitstellt, und die AC-Stromversorgung von einem netzseitigen Anschluss zu einer gesteuerten DC-Leistungsausgabe an einem lastseitigen Anschluss wandelt.
• In angedachten Ausführungsformen können eine spezifische Antwortcharakteristik auf Überstrombedingungen und Anpassungen der DC-Leistungsabgabe durch den Benutzer innerhalb eines gewissen Bereichs ausgewählt werden, der in die Vorrichtung 100 über den Anzeigebildschirm 116, über eine andere Benutzerschnittstelle einschließlich einer Fernschnittstelle eingegeben wird und/oder in die Vorrichtung 100 vorprogrammiert wird. Die Vorrichtung 100 kann gemäß spezifizierten Zeit-Strom-Kurven oder Auslöseprofilen betrieben werden, die dafür geeignet sind, adäquaten Schutz für die angeschlossenen Lasten bereitzustellen.
• Die Anzeige 116 kann multifunktional sein, um als Reaktion auf Benutzeraktivierung andere Bildschirminhalte anzuzeigen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Anzeige 116 berührungsempfindlich sein, wobei der Benutzer bei Aufforderung Auswahlen über Berühren ausgewählter Gebiete der Anzeige vornimmt. Eingabeselektoren, wie etwa Tasten, Knöpfe usw. können für eine Interaktion durch einen Benutzer in Bezug auf die Anzeige getrennt von der Anzeige 116 angeboten werden. Ein Eingabeselektor, wie etwa ein Umschalter, kann auch getrennt von der Anzeige 116 vorgesehen sein, um als manuell bedienbare Ein-/AusSchalter zu dienen, die durch einen Benutzer intuitiv manuell betätigt werden können. In diesem Fall kann der Umschalter einen herkömmlichen Umschalter emulieren, um eine Änderung eines Zustands in „ein“ oder „aus“ zu bewirken, wobei dies ohne Verschiebung eines mechanischen Schalterkontakts geschehen kann, da die Vorrichtung 100, wie nachstehend erläutert ist, keine mechanischen Schalter aufweist. Alternativ kann ein Ein/Aus-Merkmal in die Anzeige 116 zwecks bequemer Verwendung durch einen Bediener eingebaut sein, um eine Trennschalterfunktionalität zu verbundener lastseitiger Ausrüstung zu erreichen.
• Die Anzeige 116 kann multifunktional sein, um als Reaktion auf Benutzeraktivierung andere Bildschirminhalte anzuzeigen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Anzeige 116 berührungsempfindlich sein, wobei der Benutzer bei Aufforderung Auswahlen über Berühren ausgewählter Gebiete der Anzeige vornimmt. Eingabeselektoren, wie etwa Tasten, Knöpfe usw. können für Benutzereingabe in Bezug auf Aufforderungen oder Informationen, die auf der Anzeige 116 dargeboten werden, getrennt von der Anzeige 116 angeboten werden. Man erkennt allerdings, dass die Anzeige oder ein Array von Anzeigen 116 in gewissen Ausführungsformen als optional angesehen werden kann und überhaupt nicht enthalten sein muss. Bei weiteren Ausführungsformen können zusätzliche Eingabe-/Ausgabeelemente vorgesehen sein, ob in der Form einer Anzeige oder anderer Schnittstellen für Benutzerinteraktion mit der Vorrichtung, sowohl lokal als auch abgesetzt.
• 2 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Schaltungsschutzvorrichtung 100 in einer beispielhaften Festkörperausgestaltung. Die Vorrichtung 100 weist Eingangsanschlüsse 130a, 130b, 130c auf, die jeweils mit einer Phase einer Drei-Phasen-Stromversorgung, d. h. einer AC-Stromversorgung verbunden sind, was in 2 über Verbindungskabel, -führungen oder -drähte als netzseitige AC-Schaltungsanordnung 132 angezeigt ist. Die Vorrichtung 100 weist ferner Ausgangsanschlüsse 134a, 134b, 136c auf, die jeweils mit einer lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden sind. Die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 kann eine LED-Leuchte und/oder andere Beleuchtungsvorrichtungen, Motoren, Lüfter und andere Elektroausrüstung, die eine DC-Stromversorgung benötigen, beinhalten. Die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 sowie der Schaltungsschützer 100 können sich an Gefährdungsorten befinden, beispielsweise in einer Industrieeinrichtung, in der entzündbare Gasdämpfe oder Substanzen luftgängig sein können, wie bei 138 angegeben ist. Die Ausgangsanschlüsse 134a, 134b, 136c können über Verbindungskabel, -führungen oder -drähte mit der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden sein. Optional kann die Vorrichtung 100 ferner zusätzliche Elemente beinhalten, wie etwa Hilfskontakte und Hilfsverbindungen, Nebenschlussauslösemerkmale, Unterspannungsfreigabemerkmale, Kommunikationsports und Kommunikationselemente, Stromports für Kommunikation und andere Zwecke usw.
• Zwischen jedem Paar von Eingangsanschlüssen 130a, 130b, 130c und Ausgangsanschlüssen 134a, 134b, 136c sind, wie bei 140a, 140b und 140c angegeben ist, Festkörperschaltervorrichtungen angeordnet. Die beispielhafte Anordnung beinhaltet seriengeschaltete Paare von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) 142a, 142b, 142c, 142d, die jeweils in Rückwärtsrichtung miteinander verbunden sind, wobei jedes Paar von IGBTs 142a und 142b und 142c und 142d ein parallel zu den IGBTs geschaltetes Varistorelement 144 aufweist. Die in Rückwärtsrichtung geschalteten IGBTs in jedem Paar schließen Rückwärtsstromfluss durch die IGBTS von der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 in die netzseitige AC-Schaltungsanordnung 132 auf bekannte Weise aus.
• Zusätzlich gibt es zwischen jedem Paar von netzseitigen Eingangsanschlüssen 130a, 130b, 130c und lastseitigen Ausgangsanschlüssen 134a, 134b, 134c eine Laststeuerung 170, die eine Stromwandlung-Schaltungsanordnung 172 aufweist. Die Laststeuerung 170 weist einen Laststeuerungseingang 174 und einen Laststeuerungsausgang 176 auf. Der Laststeuerungsausgang 176 erzeugt eine gesteuerte DC-Stromversorgung zum Bestromen einer DC-Elektrolastvorrichtung. Bei der in 2 veranschaulichten Ausführungsform ist der Laststeuerungsausgang 176 mit einem oder mehreren der Ausgangsanschlüsse 134a, 134b und 134c verbunden. Entsprechend speisen einer oder mehrere der Ausgangsanschlüsse 134a, 134b und 134c eine DC-Stromausgabe in eine lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 ein.
• Der Laststeuerungseingang 174 der Laststeuerung 170 ist mit einer AC-Stromversorgung verbunden. Von daher arbeitet die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 zum Wandeln der AC-Stromversorgung an dem Laststeuerungseingang 174 in die DC-Stromausgabe an dem Laststeuerungsausgang 176. Bei der in 2 veranschaulichten Ausführungsform empfängt der Laststeuerungseingang die AC-Stromversorgung von mindestens einem der Festkörperschalter 140a, 140b und/oder 140c. Bei manchen Ausführungsformen kann der Laststeuerungseingang 174 stattdessen die AC-Stromversorgung direkt von der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 empfangen. Obgleich in 2 eine Laststeuerung 170 gezeigt ist, können alternativ zusätzlich mehrere Laststeuerungen 170 vorgesehen sein, um die Ausgangsleistung in dieselben oder andere mit dem lastseitigen Anschluss (oder Anschlüssen) der Vorrichtung 100 verbundene DC-Lastvorrichtungen einzuspeisen.
• Die Laststeuerung 170 kann den DC-Leistungspegel des Laststeuerungsausgangs 176 gemäß einer von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen variieren, die durch den Benutzer innerhalb eines gewissen Bereichs ausgewählt werden können, der in die Vorrichtung 100 über den Anzeigebildschirm 116, über eine andere Benutzerschnittstelle, einschließlich einer Fernschnittstelle, eingegeben und/oder in die Vorrichtung vorprogrammiert wird.
• Die IGBTs 142a, 142b, 142c, 142d sind eine Form eines Halbleiterschalters, der betreibbar ist zum entweder Zulassen von Stromfluss zwischen den jeweiligen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 130a und 134a, 130b und 134b und 130c und 134c von der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 zu der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 oder zum Ausschließen, dass Strom durch die Vorrichtung 100 fließt, so dass die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 von der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 elektrisch getrennt wird. Kurz gesagt veranlasst eine vom Emitter- zum Gate-Anschluss des IGBTs angelegte positive Spannung, dass Elektronen über eine Körperregion davon zum Gate-Anschluss gezogen werden. Falls die Gate-Emitter-Spannung bei oder über einer Schwellenspannung liegt, werden genügend Elektronen zu dem Gate gezogen, um einen leitenden Kanal über der Körperregion auszubilden, was es erlaubt, dass Strom von dem Kollektor zu dem Emitter fließt. Falls die Gate-Emitter-Spannung unter der Schwellenspannung liegt, kann grundsätzlich kein Strom über die Körperregion fließen, so dass durch Steuern der Gate-Emitter-Spannung Stromfluss zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss ermöglicht oder blockiert werden kann, um die Ausgangsanschlüsse über die IGBTs mit den Eingangsanschlüssen der Vorrichtung 100 zu verbinden oder von diesen zu trennen. Äquivalente Arten von anderen Halbleiterschaltelementen als IGBT-Elemente können gleichermaßen eingesetzt werden, einschließlich unter anderem Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor(MOSFET)-Elemente, Bipolartransistorelemente, siliciumgesteuerte Gleichrichterelemente (manchmal auch als Thyristoren bezeichnet) und dergleichen. Die Anzahl von Halbleiterschalterelementen kann derart variiert werden, dass sie größer oder kleiner als die in 2 gezeigte Anzahl ist.
• Die Varistorelemente 144, die in der gezeigten Anordnung zu jedem Paar von IGBTs parallelgeschaltet sind, zeigen einen relativ hohen Widerstand, wenn sie einer normalen Betriebsspannung ausgesetzt sind, und einen viel niedrigeren Widerstand, wenn einer größeren Spannung ausgesetzt, so wie es mit Überspannungsbedingungen und/oder elektrischen Fehlerbedingungen verknüpft ist. Die Impedanzen der Strompfade durch die Varistoren 144 ist wesentlich geringer als die Impedanz der IGBTs, wenn die Varistoren 144 in einem Niederimpedanzmodus arbeiten, und ist ansonsten wesentlich höher als die Impedanz der IGBTs. Dies bedeutet, dass die hohe Impedanz der Varistoren 144 unter Normalbedingungen bewirkt, dass der Gesamtstrom durch die IGBTs fließt, die Varistoren 144 aber mit ansteigenden Überspannungsbedingungen von dem Hochimpedanzmodus in den Niederimpedanzmodus umschalten und überspannungsinduzierte Stromstöße von den IGBTs zur Lastseite 136 kurzschließen oder umleiten. Mit abflauenden Überspannungsbedingungen können die Varistoren 144 in einen Hochimpedanzmodus zurückkehren. Die Varistoren 144 erlauben vorteilhafterweise beispielsweise, dass Motoranfahrströme durch die Vorrichtung 100 fließen können, wohingegen andererseits den IGBTs ermöglicht wird, auf Überstrombedingungen zu reagieren, nachdem der Motorstart beendet ist. In anderen Anwendungen können die Varistoren allerdings als optional betrachtet werden und können weggelassen werden.
• Als ein weiteres Wärmemanagementmerkmal können die Festkörperschaltervorrichtungen (z. B. die IGBTs) in jeder Anordnung 140a, 140b und 140c mit einem strategisch ausgewählten oder anderweitig formulierten Material eingekapselt werden, um die thermische Leistungsfähigkeit der Schaltervorrichtungen 140a, 140b und 140c zu verbessern und/oder die Wärmeableitung und -verteilung im Gebrauch zu verbessern. Das Einkapselungsmaterial der Festkörperschaltervorrichtungen 140a, 140b und 140c kann dasselbe sein wie die bei der Gehäusekonstruktion verwendeten Einkapselungsmaterialien oder davon verschieden sein und zielt insbesondere darauf ab, die Betriebstemperatur des Siliciums in den Festkörperschaltervorrichtungen im Schaltungsnormalbetrieb oder unter Überstrombedingungen und elektrischen Fehlerbedingungen zu kontrollieren oder zu begrenzen, um Überhitzung der Schaltervorrichtungen selbst oder Überhitzen des Gehäuses 102 zu verhindern.
• Obgleich beispielhafte Festkörperschaltanordnungen gezeigt und beschrieben sind, sind andere möglich, um Festkörperschaltfunktionalität auf eine bogenlose Weise zu erzielen. Wie oben erörtert wurde, vermeiden die Festkörperschaltvorrichtungen die Art von Funkenüberschlag, den mechanische Schalter produzieren, und vermeiden daher, dass solch ein Funkenüberschlag eine mögliche Zündquelle in NEC Unterteilung 1 oder 2-Orten oder IEC Zone 1 oder 2-Orten wird.
• Angesichts der Gefährdungsumgebung, in welcher die Vorrichtung 100 verwendet werden soll, ist ein zuverlässiger Abschluss von netzseitigen AC-Kabeln und lastseitigen DC-Kabeln zu den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen wichtig, da lose Verbindungen Wärme und Zuverlässigkeitsprobleme sowie mögliche Zündungsbedenken an einem Gefährdungsort erzeugen können. An einem NEC Unterteilung 2-Ort oder einem IEC Zone 1 oder 2-Ort können der Eingangs- und der Ausgangsanschluss von außerhalb des Gehäuses 102 zugänglich sein. Rastanschlussverbindungsbaugruppen und federgespannte Anschlussbaugruppen können genutzt werden, um die Enden der jeweiligen Kabel aufzunehmen und zurückzuhalten, während jegliche Tendenz der Kabelverbindungen zum Lösen mit der Zeit verringert wird. In Abhängigkeit von der spezifischen Endverwendung der Vorrichtung 100 und deren Betriebsbedingungen können solche Rastanschlussbaugruppen und federgespannte Anschlussverbinder allerdings an NEC Unterteilung 2-Orten oder IEC Zone 1 oder 2-Orten als optional betrachtet werden.
• An einem NEC Unterteilung 1-Ort können der Eingangs- und der Ausgangsanschluss ferner in zusätzlichen Gehäuseanteilen eingeschlossen sein, um zusätzliche Sicherheitsgarantien zu schaffen. Solche Gehäuseanteile können von dem Gehäuse 102 getrennt vorgesehen sein oder können integral als Erweiterungen des Gehäuses 102 ausgebildet sein, um den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss von der Explosionsumgebung zu isolieren. Bei angedachten Ausführungsformen können entfernbare Abdeckelemente vorgesehen sein, um auf den Eingangsanschluss und den Ausgangsanschluss zuzugreifen und elektrische Verbindungen zu dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss im Innern der Gehäuse der Gehäuseanteile zu schließen. Die netzseitigen AC- und lastseitigen DC-Kabelverbindungen können ferner beispielsweise durch armiertes Kabel und Kabeldurchführungen hergestellt werden, die Eindringschutz, Dichtung und Masse bereitstellen, um ein netzseitiges Kabel oder ein lastseitiges Kabel sicher durch die Gehäuse von jedem Gehäuseanteil zu führen. Wenn mit einem armierten Kabel verwendet, kann ein Masse-Erde-Pfad über die Kabeldurchführung hergestellt werden. Allerdings ist nicht in allen Ausführungsformen armiertes Kabel nötig und wird möglicherweise nicht verwendet. Kabeldurchführungen können auch mit nichtarmiertem Kabel verwendet werden.
• Das Gehäuse 102 kann unter Berücksichtigung von Wärmemanagementschwierigkeiten designt und hergestellt sein, um Oberflächentemperaturen für eine gegebene Installation an einem NEC Unterteilung 1 -Ort unter anwendbaren Grenzen zu halten, und in manchen Ausführungsformen kann das Gehäuse 102 gänzlich oder teilweise konform mit anwendbaren Normen für Gefährdungsorte explosionssicher sein, wenngleich mit bereitzustellendem relativ kleinerem und wirtschaftlicherem Gehäuse als eine herkömmliche, größere und getrennt vorgesehene explosionssichere Umhüllung, die herkömmlicherweise die gesamte Schaltungsschutzvorrichtung enthalten würde. Das Gehäuse 102 und jegliche darin definierte Umhüllungen können gleichermaßen Vakuumkammern beinhalten oder können mit einem dielektrischen Fluid, einem dielektrischen Material oder einem Inertgas befüllt sein, um elektrischen Funkenüberschlag an dem Anschluss-/Kabel-Übergang oder an anderen Orten in dem Gehäuse zu verringern oder zu erschweren.
• Um Aufbau möglicher statischer Elektrizitätsaufladung anzugehen, was an einem NEC Unterteilung 1-Ort eine mögliche Zündquelle darstellt, ist das Gehäuse 102 in 2 mit einer Verbindung zur elektrischen Masse 146 gezeigt. Kurz gesagt ist statische Elektrizität das Ergebnis eines elektromagnetischen Ungleichgewichts zwischen negativen und positiven Ladungen in einem Objekt. Aufladen der Gehäuseoberfläche kann über Oberflächenladung durch Involvieren eines anderen Objekts entstehen, insbesondere für isolierende Anteile des Gehäuses, oder über Ladungsinduktion für elektrisch leitende Anteile des Gehäuses. Oberflächenladung kann auch während Aussetzens gegenüber einer Hochspannungs-DC-Stromversorgung auftreten, die bewirkt, dass sich Ionen an der Gehäuseoberfläche festsetzen.
• Unabhängig davon wie die Oberflächenladung tatsächlich entsteht, ermöglicht die Verbindung mit Masse 142, dass sich jeglicher elektrischer Ladungsaufbau auf dem Gehäuse 102 sicher abbaut, ohne eine Zündquelle in brennbaren/gefährdenden Gebieten zu schaffen. Das Gehäuse 102 kann über einen Leitungsdraht oder über einen Leitungsleiter, der mit dem Gehäuse 102 an dessen Außenoberfläche verbunden ist, mit Erdmasse oder Chassismasse geerdet bzw. mit Masse verbunden sein. Von daher wird jede Aufladung des Äußeren des Gehäuses 102 als elektrischer Strom schnell nach Masse abgeleitet und vermeidet ein Hochspannungsentladungsereignis, typischerweise über einen Funken oder einen Schlag, der von einer Person oder einem von einer Person genutzten Werkzeug erzeugt werden könnte, der ansonsten bei Anwesenheit der explosiven Atmosphäre auftreten und eine Zündung verursachen könnte.
• Das Gehäuse 102 selbst könnte auch in Gänze teilweise aus antistatischen Polymeren oder antistatischen Materialien hergestellt werden, die aus der Perspektive eines Ladungsaufbaus für Elektrizität schwach leitend sind, aber nichtsdestotrotz aus der Perspektive des Elektrosystems, das die Vorrichtung 100 schützt, als isolierend und nichtleitend betrachtet werden. Antistatische Materialien können die Gehäuseleistungsfähigkeit relativ zu nicht-antistatischen Materialien verbessern, indem jegliche Tendenz des Gehäuses, sich überhaupt aufzuladen, verringert wird, und dies ist eine weitere Betrachtung zum strategischen Auswählen oder anderweitigen Formulieren des Materials bzw. der Materialien, die bei der Gehäuseherstellung genutzt werden sollen. Antistatische Beschichtungen, Einkapselungsmittel oder Schalen können nach Wunsch auf der Gehäuseaußenoberfläche vorgesehen werden, obgleich chemischer Widerstand und chemische Kompatibilität wie oben erörtert weiter gewährleistet bleiben müssen. Wenn sich die Vorrichtung 100 in einer tatsächlichen Installation direkt an eine Gehäuse-/System-Masseebene anschließt, sind dedizierte Masseleiter zum Handhaben von Aspekten statischer Elektrizität aufgrund von mechanischer Anbringung und/oder physischer Nähe zur Masseebene möglicherweise nicht nötig.
• Obgleich in 2 eine einzige Masseverbindung gezeigt ist, könnte mehr als eine Masseverbindung in der Struktur der Vorrichtung 100 an irgendeinem gewünschten Ort vorgesehen sein. Masseleiter können im Innern des Vorrichtungsgehäuses 102 zusätzlich zu einem oder als Ersatz für einen Masseleiter, der wie beschrieben an das Äußere des Vorrichtungsgehäuses 102 angeschaltet ist, vorgesehen sein. Masseverbindungen für das Gehäuse 102 könnten auch über einen Kabelverbinder, wie etwa eine Kabeldurchführung, hergestellt werden, wenn armiertes Kabel genutzt wird, das bereits einen Massepfad zu Erde aufweist, um die netzseitigen und lastseitigen Verbindungen mit den Anschlüssen 130a, 130b, 130c der Vorrichtung 100 vorzunehmen. Natürlich könnte in manchen Fällen nichtarmiertes Kabel verwendet werden, mit oder ohne Kabeldurchführungen, während weiter Zündquellen in der Vorrichtung 100 beseitigt werden und statische Elektrizität mit einer alternativen Masseverbindung angegangen wird.
• An NEC Unterteilung 2-Orten oder IEC Zone 1 oder 2-Orten würde die Vorrichtung 100 typischerweise durch eine Umhüllung geschützt und wäre daher nicht so anfällig für Schwierigkeiten mit statischer Elektrizität und Entladungsereignisse. Von daher kann die Verbindung nach Masse 146 in einer Vorrichtung 100 zur Verwendung an einem NEC Unterteilung 2-Ort oder einem IEC Zone 1-Ort nötig oder erwünscht sein oder nicht und könnte daher als optional angesehen werden. Vermöge der Vorrichtung 100 muss die Umhüllung, die eine oder mehrere Vorrichtungen 100 enthält, allerdings nicht explosionssicher sein und die herkömmlicherweise vorgesehene explosionssichere Umhüllung kann weggelassen werden.
• 3 ist ein Blockdiagramm der Schaltungsschutzvorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 beinhaltet einen prozessorbasierten Mikrocontroller, der einen Prozessor 150 und eine Arbeitsspeicherspeichervorrichtung 152 beinhaltet, in welcher ausführbare Anweisungen, Befehle und Steueralgorithmen sowie andere Daten und Informationen, die zum zufriedenstellenden Betrieb der Vorrichtung 100 benötigt werden, gespeichert sind. Der Arbeitsspeicher 152 der prozessorbasierten Vorrichtung kann beispielsweise ein Direktzugriffsspeicher (RAM) und andere Formen von zusammen mit RAM-Arbeitsspeicher verwendetem Arbeitsspeicher sein, einschließlich unter anderem Flashspeicher (FLASH), programmierbaren Nurlesespeichers (PROM) und elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeichers (EEPROM).
• So wie er hier verwendet wird, soll sich der Begriff „prozessorbasierter“ Mikrocontroller nicht nur auf Controllervorrichtungen einschließlich wie gezeigt eines Prozessors oder Mikroprozessors beziehen, sondern auch auf andere äquivalente Elemente, wie etwa Mikrocomputer, Programmierbare-Logik-Steuerungen, Schaltungen mit reduziertem Befehlssatz

  

  (RISC), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und andere programmierbare Schaltungen, Logikschaltungen, Äquivalente davon und eine beliebige andere Schaltung oder einen beliebigen anderen Prozessor, die/der zum Ausführen der nachstehend beschriebenen Funktionen in der Lage ist. Die oben aufgelisteten prozessorbasierten Vorrichtungen sind lediglich beispielhaft und sind somit nicht dafür beabsichtigt, die Definition und/oder die Bedeutung des Begriffs „prozessorbasiert“ in irgendeiner Weise einzuschränken.
• Die Vorrichtung 100 beinhaltet auch die Sensoren 154, 156, 158, die in einer Anzahl 1 bis n vorgesehen sind, die gleich der Anzahl von Schaltpolen in der Vorrichtung 100 ist. Von daher können für die in 1 und 2 gezeigte dreipolige Vorrichtung 100 drei Sensoren von jeder Art enthalten sein, die jeweils Strom, Spannung und Temperatur an jeweiligen Orten in der Vorrichtung detektieren, um die tatsächlichen Schaltungsbetriebsbedingungen in der Vorrichtung zu bewerten. In weiteren Ausführungsformen können pro Schaltpol optional zusätzliche Temperatursensoren für verbesserte Temperaturüberwachung an mehreren Orten an jedem Pol bereitgestellt werden. Die Sensoren 154, 156 und/oder 158 wiederum liefern Eingaben für den Prozessor 150. Somit wird der Prozessor 150 vermöge der Sensoren 154, 156 und/oder 158 mit Echtzeitinformationen hinsichtlich eines Stroms, der durch jedes der Halbleiterbauelemente 162 mit der Nummer 1 bis n, die gleich der Anzahl von Schaltpolen in der Vorrichtung 100 ist, fließt, versorgt.
• Der detektierte Strom wird überwacht und mit einer Grundlinienstrombedingung verglichen, wie etwa einer Zeit-Strom-Kurve oder einem Zeit-Strom-Profil, das in den Speicher 152 oder die Auslöseeinheit 160 einprogrammiert und in diesem bzw. dieser gespeichert ist. Durch Vergleichen des detektierten Stroms mit der Grundlinienstrombedingung können von dem Prozessor 150 Entscheidungen vorgenommen werden, die Festkörperschaltelemente 162 anzusteuern, indem eine Ausgangsspannung auf die Gate-Emitter-Spannung in den oben beschriebenen IGBTs gesteuert wird, damit Stromleitung abgebrochen wird, um die Lastseite vor schädlichen Strömen zu schützen. Bei manchen Ausführungsformen erlaubt die Auslöseeinheit 160 dem Benutzer, Einstellungen für den Betrieb der Auslöseeinheit 160 auszuwählen und die Zeit-Strom-Antwort der Vorrichtung 100 innerhalb von vorbestimmten Grenzen abzuändern. Als ein solches Beispiel kann ein Benutzer einen Nennstrom der Vorrichtung 100 mit einem Wert von 50 A bis 100 A auswählen, wobei die Auslöseeinheit 160 die passende Zeit-Strom-Kurve für den ausgewählten Nennstrom anwendet.
• Die detektierte Spannung kann gleichermaßen überwacht und verwendet werden, um Steuerentscheidungen vorzunehmen, ob die Festkörperschaltelemente 162 betätigt werden sollen, um die lastseitige Schaltungsanordnung und die lastseitigen Komponenten vor schädlichen Betriebsbedingungen zu schützen. Da Strom und Spannung zusammenhängen, kann eine detektierte Spannung mit einem detektierten Strom verglichen werden, um eine Bewertung der Gesundheit der Vorrichtung 100 zu erleichtern, Fehler zu identifizieren und Diagnose und Fehlerbehebung des Elektrosystems zu erleichtern. Als andere ausfallsichere Maßnahmen können Spannung und Strom aus erfassten Parametern berechnet und mit der Sensorrückmeldung verglichen werden, um Fehlerbedingungen zu detektieren.
• Die detektierte Temperatur kann gleichermaßen überwacht und verwendet werden, um Steuerentscheidungen vorzunehmen, ob die Festkörperschaltelemente 162 betätigt werden sollen, um die lastseitige Schaltungsanordnung und die lastseitigen Komponenten vor schädlichen Betriebsbedingungen zu schützen. Zusätzlich kann die detektierte Temperatur gewährleisten, dass Leiter in der Vorrichtung 100 unter den Nenntemperaturen für den bestimmten Gefährdungsort, an welchem sie sich befindet, betrieben werden. Falls beispielsweise die Nenntemperatur 200°F beträgt, kann der Prozessor 150 die Festkörperschalter betätigen, sich zu trennen und den Stromfluss zu unterbinden, wenn die Betriebstemperatur wie durch die Temperatursensoren angegeben auf nahezu 200°F angestiegen ist, was luftgeführte Gase, Dämpfe oder Substanzen an NEC Unterteilung 1 oder 2-Orten oder IEC Zone 1 oder 2-Orten entzünden könnte.
• Der Prozessor 150 befindet sich in Kommunikation mit der Eingabe-/Ausgabe-Anzeige 116, um Rückmeldung für einen Benutzer zu geben und um über die Anzeige 116 vorgenommene Eingaben anzunehmen.
• Der Prozessor 150 befindet sich auch in Kommunikation mit der Laststeuerung 170, die wie in 2 gezeigt die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 aufweist. Die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 beinhaltet eine oder mehrere dem Fachmann bekannte elektrische Komponenten, die die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 befähigen, eine AC-Stromversorgung von einem netzseitigen Eingangsanschluss auf eine DC-Stromausgabe an einem lastseitigen Ausgangsanschluss zu wandeln. Der netzseitige Eingangsanschluss ist mit der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 verbunden und der lastseitige Ausgangsanschluss ist mit der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden.
• Die Laststeuerung 170 wandelt den Strom von der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 in angemessene DC-Stromausgangspegel um, um die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 mit Strom zu versorgen. Die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 kann LED-Leuchten oder andere Beleuchtungsvorrichtungen, Motoren, Lüfter und andere Elektroausrüstung beinhalten, die eine DC-Stromversorgung innerhalb einer Industrieeinrichtung benötigen, in welcher entzündbare Gasdämpfe oder Substanzen luftgängig sein können. Der Prozessor 150 kann die DC-Stromausgangspegel gemäß Werten selektiv steuern, die von dem Benutzer innerhalb eines gewissen Bereichs ausgewählt werden, der in die Vorrichtung 100 über den E/A-Anzeigebildschirm 116, über eine andere Benutzerschnittstelle, einschließlich einer Fernschnittstelle, eingegeben und/oder in die Vorrichtung vorprogrammiert wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor 150 die DC-Stromausgangspegel auf der Grundlage eines oder mehrerer von den Sensoren 154, 156 und/oder 158 empfangener Signale selektiv steuern. Bei manchen anderen Ausführungsbeispielen ist der Prozessor 150 dafür ausgelegt, die DC-Stromausgangspegel anzupassen, um eine Energieausgabe von der Vorrichtung zu begrenzen, die ansonsten an dem Gefährdungsort Zündprobleme ergeben könnte.
• In dem gezeigten Beispiel empfängt der Prozessor 150 netzseitigen Strom über eine Stromwandlerschaltungsanordnung 166. Die Stromwandlerschaltungsanordnung 166 beinhaltet Abwärtskomponenten und Analogzu-Digital-Wandlungskomponenten, um, wenn nötig, dem Prozessor 150 auf bekannte Weise Gleichstrom(DC)-Strom mit reduzierter Spannung zuzuführen. Umwandlung des Netzstroms auf passende Pegel, um die Elektroniken zu bestromen, vermeidet jegliche Notwendigkeit für eine unabhängige Stromversorgung, wie etwa Batterien und dergleichen oder eine separat bereitgestellte Stromleitung, für die Elektronikschaltungsanordnung und -steuerungen, die andernfalls nötig wären, obgleich in manchen Ausführungsformen eine solche unabhängige Stromversorgung tatsächlich bei Bedarf oder auf Wunsch enthalten sein kann. Die beschriebenen Steuerungen können auf einer Platine oder auf Platinen in verschiedenen Anordnungen von Elektronikzusammenstellungen implementiert sein, wobei algorithmische Steuermerkmale in dem Vorrichtungsarbeitsspeicher programmiert und gespeichert sind.
• Ein Kommunikationselement 164 ist auch enthalten, das Daten an einen abgesetzten Ort sowie eine andere Vorrichtung 100 kommunizieren kann, wie sie weiter unten beschrieben ist, um den Betrieb des größeren Elektrosystems an lokalen und abgesetzten Orten relativ zu jeglicher bestimmten Vorrichtung 100 zu bewerten. Drahtlose und nicht-drahtlose Kommunikation von Daten von Interesse, einschließlich unter anderem Stromdaten, Spannungsdaten (einschließlich Wellenformdaten), Temperaturdaten, Ein-Aus-Statusdaten der Festkörperschaltelemente, ausgewählte Einstellungsdaten, Auslösezeitdaten usw. ist möglich, und solche Daten können zur zeitlichen Analyse des Elektrosystems lokal und abgesetzt gespeichert und archiviert werden. Fernbetätigung der Vorrichtung 100 ist ebenfalls über das Kommunikationselement 164 möglich.
• Obgleich eine beispielhafte Architektur der Vorrichtung 100 beschrieben wurde, versteht sich, dass gewisse in 3 gezeigte Elemente als optional angesehen werden können, um eine grundlegendere Funktionalität bereitzustellen. Darüber hinaus könnten zusätzliche Elemente hinzugefügt werden, um noch weitere Ausgeklügeltheit und Intelligenz beim Betrieb der Vorrichtung 100 zu realisieren sowie um zusätzliche Funktionalität über Schaltungsschutz und Trennfunktionalität hinaus bereitzustellen.
• 4 ist eine Perspektivansicht einer konformen Schaltungsschutzvorrichtung 300 für einen Explosionsort gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltungsschutzvorrichtung 300 beinhaltet das Gehäuse 102, das als den chemischen Widerstand, die Schlagfestigkeit und die Wärmemanagementmerkmale aufweisend, die oben mit Bezug auf die Vorrichtung 100 beschrieben wurden, beschrieben ist, aber lässt die Digitalanzeige 116 der Vorrichtung 100 (1) weg. Wie in 4 gezeigt ist, ist ein mechanischer Umschalter 302 für einen Benutzer an der oberen Vorderfläche des Gehäuses 102 für manuelle Aktivierung der Vorrichtung 300 zwischen einem „Ein-“ und einem „Aus- ‟ Zustand zum Verbinden und Trennen der Lastseite der Vorrichtung 300 von der Netzseite zugänglich. Andere manuelle Aktuatoren als Umschalter können in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden. In manchen Fällen könnte die Anzeige 116 zusätzlich zu dem oder als Ersatz für den Umschalter 302 oder einen anderen manuellen Aktuator vorgesehen sein.
• Wie die Vorrichtung 100 kann die Vorrichtung 300 auf der Netzseite an eine Drei-Phasen-Stromversorgung angeschlossen werden, d. h. eine Wechselstrom(AC)-Stromversorgung, und an eine Gleichstrom(DC)-Lastvorrichtung auf der Lastseite. Die Vorrichtung 300 ist wie gezeigt als ein Ausschalter ausgelegt und stellt daher automatischen Schaltungsschutz als Reaktion auf vorbestimmte Überstrombedingungen bereit, die durch den Benutzer innerhalb eines gewissen Bereichs ausgewählt und in die Vorrichtung eine lokale oder abgesetzte Benutzerschnittstelle eingegeben oder anderweitig in die Vorrichtung vorprogrammiert werden können. Die Vorrichtung 300 kann gemäß spezifizierten Zeit-Strom-Kurven oder Zeit-Strom-Profilen betrieben werden, die dafür geeignet sind, adäquaten Schutz für angeschlossene Lasten bereitzustellen.
• 5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Schaltungsschutzvorrichtung 130 in einer beispielhaften Hybrid-Ausgestaltung. Die Vorrichtung 300 weist Eingangsanschlüsse 130a, 130b, 130c auf, die jeweils mit einer Phase einer Drei-Phasen-Stromversorgung, d. h. einer AC-Stromversorgung verbunden sind, was in 4 über Verbindungskabel, -führungen oder -drähte als netzseitige AC-Schaltungsanordnung 132 angezeigt ist. Die Vorrichtung 100 weist ferner Ausgangsanschlüsse 134a, 134b, 136c auf, die jeweils mit einer lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden sind. Die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 kann eine LED-Leuchte und/oder andere Beleuchtungsvorrichtungen, Motoren, Lüfter und andere Elektroausrüstung, die eine DC-Stromversorgung benötigen, beinhalten. Die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 sowie der Schaltungsschützer 100 können sich an Gefährdungsorten befinden, beispielsweise in einer Industrieeinrichtung, in der entzündbare Gasdämpfe oder Substanzen luftgängig sein können, wie bei 138 angegeben ist. Die Ausgangsanschlüsse 134a, 134b, 136c können über Verbindungskabel, -führungen oder -drähte mit der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden sein. Optional kann die Vorrichtung 100 ferner zusätzliche Elemente beinhalten, wie etwa Hilfskontakte und Hilfsverbindungen, Nebenschlussauslösemerkmale, Unterspannungsfreigabemerkmale, Kommunikationsports und Kommunikationselemente, Stromports für Kommunikation und andere Zwecke usw.
• Zwischen jedem Paar von Eingangsanschlüssen 130a, 130b und 130c und Ausgangsanschlüssen 134a, 134b und 136c sind mechanische Ausschalter 304a, 304b und 304c und parallel geschaltete Festkörperschaltervorrichtungen angeordnet, die als 140a, 140b und 140c angegeben sind. Die beispielhafte Festkörperschalteranordnung 140a, 140b und 140c beinhaltet seriengeschaltete Paare von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), wobei jedes Paar, wie oben beschrieben, ein zu den IGBTs parallelgeschaltetes Varistorelement aufweist. Obgleich beispielhafte Festkörperschaltanordnungen gezeigt und beschrieben sind, sind andere möglich, um Festkörperschaltfunktionalität auf eine bogenlose Weise zu erzielen. Wie oben erörtert wurde, arbeiten die Festkörperschaltvorrichtungen auf eine bogenlose Weise und stellen daher insofern als es Funkenüberschlag an einem Gefährdungsort betrifft, selbst kein Zündrisiko dar.
• Die Kombination der mechanischen Ausschalter 304a, 304b und 304c und der Festkörperschaltanordnungen 140a, 140b und 140c kann die Reaktionszeiten der Vorrichtung 300 relativ zu der der Vorrichtung 100 verbessern. Die mechanischen Ausschalter 304a, 304 und 304c arbeiten allerdings mit mechanischen Schalterkontakten und bedürfen daher einiger Aufmerksamkeit hinsichtlich einer Anwendung an einem Gefährdungsort, da Funkenüberschlag eine Zündquelle sein kann. Die Festkörperschaltanordnungen 140a, 140b und 140c, die zu den mechanischen Ausschaltern 304a, 304b und 304c parallelgeschaltet sind, können den Strom in den mechanischen Ausschaltern 304a, 304 und 304c bei einem Überlast- oder Kurzschlussereignis begrenzen, um die Intensität jeglichen produzierten Bogens auf ein Niveau unter dem zu reduzieren, das erforderlich ist, um ein Zündproblem darzustellen, oder Funkenüberschlag anderweitig komplett auszuschließen.
• Zusätzlich gibt es zwischen jedem Paar von netzseitigen Eingangsanschlüssen 130a, 130b, 130c und lastseitigen Ausgangsanschlüssen 134a, 134b, 134c eine Laststeuerung 170, die eine Stromwandlung-Schaltungsanordnung 172 aufweist. Die Laststeuerung 170 weist einen Laststeuerungseingang 174 und einen Laststeuerungsausgang 176 auf. Der Laststeuerungsausgang 176 erzeugt eine gesteuerte DC-Stromversorgung zum Bestromen einer DC-Elektrolastvorrichtung. Bei der in 4 veranschaulichten Ausführungsform ist der Laststeuerungsausgang 176 mit einem oder mehreren der Ausgangsanschlüsse 134a, 134b und 134c verbunden. Entsprechend speisen einer oder mehrere der Ausgangsanschlüsse 134a, 134b und 134c eine DC-Stromausgabe in eine lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 ein.
• Der Laststeuerungseingang 174 der Laststeuerung 170 ist mit einer AC-Stromversorgung verbunden. Von daher arbeitet die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 zum Wandeln der AC-Stromversorgung an dem Laststeuerungseingang 174 in die DC-Stromausgabe an dem Laststeuerungsausgang 176. Bei der in 4 veranschaulichten Ausführungsform empfängt der Laststeuerungseingang die AC-Stromversorgung von mindestens einem der Festkörperschalter 140a, 140b und/oder 140c. Bei manchen Ausführungsformen kann der Laststeuerungseingang 174 stattdessen die AC-Stromversorgung direkt von der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 empfangen. Obgleich in 4 eine Laststeuerung 170 gezeigt ist, können alternativ zusätzlich mehrere Laststeuerungen 170 vorgesehen sein, um Ausgangsleistung in dieselben oder andere mit dem lastseitigen Anschluss (oder Anschlüssen) der Vorrichtung 100 verbundene DC-Lastvorrichtungen einzuspeisen.
• Die Laststeuerung 170 kann den DC-Leistungspegel des Laststeuerungsausgangs 176 gemäß einer von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen variieren, die durch den Benutzer innerhalb eines gewissen Bereichs ausgewählt werden können, der in die Vorrichtung 100 über den Anzeigebildschirm 116, über eine andere Benutzerschnittstelle, einschließlich einer Fernschnittstelle, eingegeben und/oder in die Vorrichtung vorprogrammiert wird.
• Die Vorrichtung 300 kann gleichermaßen mit elektrischer Masse 146 verbunden sein, um jegliche Aufladung der Gehäuseoberfläche wie oben beschrieben abzuleiten, wodurch eine mögliche Zündquelle über statische Entladung wie oben beschrieben ausgeschlossen wird. Bei angedachten Ausführungsformen kann das Gehäuse 102 der Vorrichtung 300 aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien hergestellt sein. In manchen Fällen ist Einbeziehen gewisser metallischer oder nichtmetallischer Materialien, strategischer Auswahl von Gehäusematerialien, von Füllermaterialien und Einkapselungsmaterialien nötig, um Bedenken hinsichtlich statischer Elektrizität anzugehen. Kombinationen von leitenden und nichtleitenden Materialien, sowohl intern zu der Vorrichtung 300 als auch extern zu der Vorrichtung 300 können genutzt werden, um angemessen Pfade zu elektrischer Masse bereitzustellen.
• Die Vorrichtung 300 ist gleichermaßen mit einer elektrischen Masse 146 verbunden, um jegliche Aufladung der Gehäuseoberfläche wie oben beschrieben abzuleiten, wodurch eine mögliche Zündquelle über statische Entladung ausgeschlossen wird. Die netz- und lastseitigen Verbindungen können unter Verwendung sicherer Anschlussbaugruppen erstellt werden, einschließlich unter anderem Rastanschlussmerkmale, um sich mit der Zeit lösende Verbindungen, die anfangs mit einem Befestigungselement gesichert werden, zu verhindern, und Verbindungen, die mit umschlossenen Anschlüssen über ein armiertes Kabel und Kabeldurchführungen vorgenommen werden, um eine erhöhte Sicherheitsgewähr für Explosionsumgebungen bereitzustellen.
• 6 ist ein Blockdiagramm der Schaltungsschutzvorrichtung 300, die zusätzlich zu den oben beschriebenen Elementen in der Vorrichtung 100 Steuereingänge für den manuellen Aktuator 302 und einen Auslöseaktuator 310 zum Betätigen der mechanischen Ausschalter 312, die die mechanischen Schalter aufweisen, beinhaltet.
• Wenn vorbestimmte Überstrombedingungen aufkommen, veranlasst die Auslöseeinheit 160 den Auslöseaktuator 310 dazu, die beweglichen Schalterkontakte zu verschieben und die Schaltung durch die Vorrichtung 300 zu öffnen. Der Auslöseaktuator kann ein elektromagnetisches Element sein, wie etwa ein Solenoid, das gleichzeitig die Schalterkontakte von jedem in der Vorrichtung 300 bereitgestellten mechanischen Ausschalter verschieben kann, wobei die Festkörperschaltanordnungen 140a, 140b und 140c den Strom bei Auftreten der Verschiebung der Schalterkontakte begrenzen. Der manuelle Aktuator 302 kann danach dafür verwendet werden, die Vorrichtung 300 durch Schließen der mechanischen Schalter zurückzusetzen.
• Obgleich eine beispielhafte Vorrichtungsarchitektur für die Vorrichtung 300 beschrieben wurde, versteht sich, dass gewisse der in 6 gezeigten Elemente als optional angesehen werden können, um grundlegendere Funktionalität bereitzustellen, sowie zusätzliche Elemente hinzugefügt werden könnten, um noch weitere Ausgeklügeltheit und Intelligenz beim Betrieb der Vorrichtung 300 zu realisieren.
• 7 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm eines Ausführungsbeispiels der Laststeuerung 170, einschließlich der Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 zur Verwendung mit der Vorrichtung 100 und/oder der Vorrichtung 300. Die Stromwandlerschaltungsanordnung 172 fungiert zum Wandeln einer AC-Stromversorgungseingabe von einem netzseitigen Eingangsanschluss in eine DC-Stromausgabe an einem lastseitigen Ausgangsanschluss. Bei dieser veranschaulichten Ausführungsform ist die netzseitige AC-Schaltungsanordnung 132 mit dem netzseitigen Eingangsanschluss gekoppelt und die lastseitige DC-Schaltungsanordnung 136 ist mit dem lastseitigen Ausgangsanschluss gekoppelt. Die Laststeuerung 170 variiert den Pegel der DC-Stromausgabe gemäß einer von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen, um besondere Arten von DC-Lastvorrichtungen bei optimalen Pegeln zu bestromen.
• Die Laststeuerung 170 beinhaltet einen Laststeuerungseingang 174 zum Empfangen der AC-Stromversorgung und einen Laststeuerungsausgang 176 zum Liefern der gesteuerten DC-Stromausgabe. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Laststeuerungseingang 174 direkt an den netzseitigen AC-Anschluss 132 gekoppelt sein und dementsprechend sind die eine oder die mehreren Festkörperschaltervorrichtungen 140a, 140b und 140c mit dem Laststeuerungsausgang 176 gekoppelt, so dass die Laststeuerung 170 die gesteuerten DC-Stromausgabe der einen oder den mehreren Festkörperschaltervorrichtungen 140a, 140b und 140c zuführt. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die eine oder die mehreren Festkörperschaltervorrichtungen 140a, 140b und 140c direkt mit dem netzseitigen AC-Anschluss 132 gekoppelt, dementsprechend empfängt der Laststeuerungseingang 174 eine AC-Spannungsversorgung von dem einen oder den mehreren Festkörperschaltern 140a, 140b und 140c.
• Die Laststeuerung 170 und die Stromwandlerschaltungsanordnung 172 können eine oder mehrere Elektrokomponenten beinhalten, die die Stromwandlungsschaltungsanordnung 172 dazu befähigen, die AC-Stromversorgung in eine gesteuerte DC-Stromausgabe zu wandeln. Beispielsweise beinhaltet die Stromwandlungsschaltungsanordnung 170 einen oder mehrere Gleichrichter 180. Weiter kann der Gleichrichter 180 einen ungesteuerten und/oder einen teilgesteuerten und/oder einen vollgesteuerten Gleichrichter beinhalten. Der Gleichrichter 180 beinhaltet eine oder mehrere Dioden, die den Fluss des Stroms auf bekannte Weise in einer einzigen oder isolierten Richtung leiten.
• Die Stromwandlungsschaltung 172 kann auch einen oder mehrere Transformatoren 182 aufweisen. Jeder Transformator 182 kann einen Hoch- oder Runtertransformator beinhalten, der dafür verwendet wird, die Spannung oder den Strom der AC-Stromversorgung vor dem Gleichrichter 180 auf einen angemessenen Pegel anzupassen. Beispielsweise kann der Transformator 182 dafür verwendet werden, die AC-Stromversorgung von 120 Volt oder 240 Volt auf eine beliebige gewünschte Spannungseingabe für den Gleichrichter 180 abzusenken.
• Die Stromwandlungsschaltung 172 kann auch einen Kondensator 184 beinhalten, der über den DC-Stromausgang des Gleichrichters 180 geschaltet ist. Der Kondensator 184 kann einen Elektrolytkondensator beinhalten, der dazu betrieben wird, den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung zu glätten. Ferner kann die Stromwandlungsschaltung 172 auch ein oder mehrere Filter 186 beinhalten, um elektrisches Rauschen in der Stromausgabe durch Abschwächen von höherfrequentem Rauschen und möglicherweise vorhandenen Harmonischen zu verhindern. Das Filter 186 kann auch einen oder mehrere Varistoren beinhalten, die Spannungsspitzen vom Stromnetz verhindern. Die Laststeuerung 170 beinhaltet ferner einen Gleichspannungs(DC)-Regler 190, der auf bekannte Weise zum Regeln der DC-Stromausgabe des Gleichrichters 180 verwendet wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist die Laststeuerung 170 dafür ausgelegt, einen gepulsten DC-Ausgangsstrom an die DC-Lastvorrichtung anzupassen, die eine LED-Leuchte oder eine LED-Beleuchtungsvorrichtung sein kann. Bei anderen angedachten Ausführungsformen können Pulsleistungssteuerelemente in der LED-Leuchte eingebettet oder integriert sein, die durch die DC-Stromausgabe der Vorrichtung 100 oder 300 betreibbar sind, als Ersatz für oder zusätzlich zu in der Vorrichtung 100 oder 300 vorgesehenen Pulsleistungssteuerelementen.
• Obgleich bestimmte Beispiele von Komponenten in der Wandlerschaltungsanordnung beschrieben und veranschaulicht wurden, können die Steuerung 170 und die Stromwandlungsschaltung 172 wie im Stand der Technik bekannt in anderen Ausführungsbeispielen zusätzliche oder alternative elektronische Komponenten beinhalten, die die Laststeuerung 170 befähigen, eine AC-Stromversorgung an dem netzseitigen Eingangsanschluss in eine gewünschte DC-Stromausgabe an dem lastseitigen Ausgangsanschluss zu wandeln.
• 8 veranschaulicht ein beispielhaftes Stromwandlungs- und Steuerungssystem, das die Schaltungsschutzvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beinhaltet. Bei der veranschaulichten Gefährdungsanwendung des Systems ist die Schaltungsschutzvorrichtung 100 oder 300 mit der lastseitigen DC-Schaltungsanordnung 136 verbunden, die mehrere DC-Lastvorrichtungen 190 innerhalb einer Industrieeinrichtung beinhaltet, wo zündbares Gas, zündbare Dämpfe oder Substanzen luftgängig sein können, was bei 138 angedeutet wird. Die Schaltungsschutzvorrichtung 100 ist mit der netzseitigen AC-Schaltungsanordnung 132 gekoppelt, die eine AC-Stromversorgung beinhaltet, und der lastseitige Ausgangsanschluss liefert eine geregelte DC-Stromausgabe an die mehreren DC-Lastvorrichtungen 190. Die Laststeuerung 170 variiert den Pegel der DC-Stromausgabe an die mehreren DC-Lastvorrichtungen 190 gemäß einer/einem von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen und/oder vorprogrammierten Parametern und/oder spezifizierten Zeitplänen. Bei manchen angedachten Ausführungsformen ist die Laststeuerung 170 dafür ausgelegt, einen gepulsten DC-Ausgangsstrom an die DC-Lastvorrichtung 190 anzupassen, obgleich gepulster Ausgangsstrom in anderen Ausführungsformen für gewisse Arten von Elektrolastvorrichtungen möglicherweise als optional betrachtet wird und nicht bereitgestellt sein muss.
• Die mehreren DC-Lastvorrichtungen 190 müssen keine integrierte AC/DC-Wandlungsschaltungsanordnung beinhalten, da die Schaltungsschützervorrichtung 100 die gewünschte DC-Ausgabe an jede Lastvorrichtung 190 zuführt. Allerdings können in manchen Fällen die mehreren DC-Lastvorrichtungen 190 einen DC/DC-Wandler beinhalten, um den zugeführten DC-Ausgangsstrom zu regeln, wenn er jede einzelne DC-Lastvorrichtung 190 erreicht. Beispielsweise kann ein in der Lastvorrichtung 190 vorgesehener DC/DC-Wandler eine Spannung bei Bedarf herauf- oder heruntersetzen, muss aber nicht den Wechselstrom in Gleichstrom wandeln, wie es herkömmliche Lastvorrichtungen häufig tun. Insbesondere wird bei langen Ketten von seriengeschalteten Vorrichtungen bei einigen der Lastvorrichtungen 190 ein erwarteter Spannungsabfall erfahren werden, der durch jede Vorrichtung 190 kompensiert werden kann. Zusätzlich kann der DC-Ausgangsstrom der Schaltungsschutzvorrichtung 100 höher eingestellt sein als nötig, um einen Spannungsabfall über einer langen Kette von seriengeschalteten Lastvorrichtungen 190 zu kompensieren, und die Lastvorrichtungen 190 können, wenn nötig, den empfangenen Strom auf einen optimaleren Pegel herabsetzen. In solchen Beispielen können DC/DC-Stromwandler weiter in dem Design der Leistungsvorrichtungen 190 integriert sein, wobei weiter Kosten zum Bereitstellen von AC/DC-Stromwandlern in den Lastvorrichtungen 190 vermieden werden.
• In dem in 8 veranschaulichten Beispiel beinhalten die mehreren DC-Lastvorrichtungen 190 eine Reihe von Leuchtdioden(LED)-Leuchten, welche mit Gefährdungsorten innerhalb einer Industrieeinrichtung konform sind. Alternative Installationen von LED-Leuchten an anderen Orten, die nicht notwendigerweise harsch oder gefährdend sein müssen, sind allerdings möglich.
• Kraft des oben beschriebenen Schaltungsschützers 100, der AC/DC-Stromwandlungsmerkmale für die lastseitigen Ausgänge beinhaltet, müssen die LED-Leuchten selbst keinen AC/DC-Stromwandler beinhalten und solche integrierten AC/DC-Stromwandler sind daher nicht in den LED-Leuchten enthalten. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann jede der mehreren LED-Leuchten einen mit der LED-Leuchte integrierten DC/DC-Stromwandler beinhalten, aufgrund der obigen Gründe, die längere Ketten von mit dem Schaltungsschützer 100 verbundenen Vorrichtungen betreffen. Die Laststeuerung 170 in der Vorrichtung 100 variiert den Pegel der DC-Stromausgabe an die mehreren LED-Leuchten gemäß einer/einem von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen und/oder vorprogrammierten Parametern und/oder spezifizierten Zeitplänen. Die Laststeuerung 170 kann beispielsweise in manchen Fällen vorprogrammiert sein, den zugeführten DC-Strompegel an die LED-Leuchten abzusenken, um die LED-Leuchten zu dimmen und/oder diese auszuschalten, wenn in designierten Bereichen der Einrichtung keine Arbeiter erwartet werden, um den Energieverbrauch abzusenken.
• In einigen anderen Beispielanwendungen kann der DC-Stromausgang anstelle von oder in Kombination mit LED-Leuchten mit zusätzlichen und/oder alternativen DC-Lastvorrichtungen 190 verbunden sein, die mit Gefährdungsorten konform sind. Bei angedachten Ausführungsformen und wie in 8 veranschaulicht sind mehrere DC-Lastvorrichtungen 190 in einer Reihe und miteinander in Serie geschaltet und werden durch einen der lastseitigen Ausgangsanschlüsse der Schaltungsschutzvorrichtung 100 oder 300 bestromt. Kraft der über den Schaltungsschützer 100 oder 300 vorgenommenen Stromwandlung benötigen die DC-Lastvorrichtungen 190 keine Schaltungsanordnung, um eine AC-Stromversorgung in eine DC-Stromausgabe zu wandeln, und von daher können billigere DC-Lastvorrichtungen 190 genutzt werden, die keine AC/DC-Stromwandlungsmerkmale aufweisen. In manchen Fällen können die DC-Lastvorrichtungen 190 weiter einen DC/DC-Stromwandler beinhalten, um die zugeführte DC-Stromausgabe anzupassen oder zu regeln, wenn sie wie oben beschrieben über eine lange Kette von Vorrichtungen die DC-Lastvorrichtung 190 erreicht. Wie auch immer, über eine große Anzahl von Lastvorrichtungen 190 hinweg, ergeben sich über Entfernung von einzelnen AC/DC-Stromwandlern in jeder Vorrichtung 190 erhebliche Kosteneinsparungen.
• In Anbetracht dessen, dass Stromwandler in Lastvorrichtungen 190, wie etwa LED-Leuchten, im Gebrauch anfällig für Zuverlässigkeitsprobleme sind, ist von Wichtigkeit, dass verbesserte Zuverlässigkeit der Lastvorrichtungen 190 realisiert wird und dass Wartungskosten des Beleuchtungssystems verringert werden, da eine integrierten Stromwandlern zugerechnete Beeinflussung von Versagensmodi der LED-Leuchten beseitigt wird. Zeit und Arbeitskosten werden daher eingespart, die ansonsten benötigt würden, um beeinträchtigte oder defekte LED-Leuchten zu identifizieren und zu ersetzen oder das System anderweitig einer Fehlersuche zu unterziehen, um Probleme hinsichtlich einzelner Leuchten oder Leuchtenketten zu diagnostizieren.
• Es wird nunmehr angenommen, dass die Nutzen und Vorteile der erfinderischen Konzepte hier reichlich mit Bezug auf die offenbarten Ausführungsbeispiele veranschaulicht wurden. Eine Ausführungsform eines Stromwandlungs- und -steuerungssystems für einen Gefährdungsort wurde offenbart.
• Eine Ausführungsform eines Stromwandlungs- und -steuerungssystems wurde offenbart, die eine Schaltungsschutzvorrichtung beinhaltet. Die Schaltungsschutzvorrichtung beinhaltet ein Gehäuse, einen netzseitigen Anschluss und einen lastseitigen Anschluss, gekoppelt mit dem Gehäuse, und weist mindestens ein Festkörperschaltelement auf, das auf eine bogenlose Weise betreibbar ist, um einen elektrischen Stromfluss von dem netzseitigen Anschluss zu dem lastseitigen Anschluss zu begrenzen oder auszuschließen. Die Schaltungsschutzvorrichtung beinhaltet ferner eine Laststeuerung in dem Gehäuse, die eine Stromwandlerschaltungsanordnung beinhaltet, die eingerichtet ist zum Wandeln einer Wechselstrom(AC)-Stromversorgungseingabe in den netzseitigen Anschluss in eine Gleichstrom(DC)-Stromausgabe an dem lastseitigen Anschluss.
• Optional kann die Schaltungsschutzvorrichtung ferner mindestens eine DC-Lastvorrichtung beinhalten. Die mindestens eine DC-Lastvorrichtung beinhaltet möglicherweise keinen AC/DC-Stromwandler. Die mindestens eine DC-Lastvorrichtung beinhaltet möglicherweise einen DC/DC-Stromwandler. In manchen Beispielen kann die mindestens eine DC-Lastvorrichtung eine Leuchtdioden(LED)-Leuchte sein. Die LED-Leuchte kann mit einer Verwendung an einem Gefährdungsort konform sein. Die mindestens eine DC-Last kann mehrere DC-Lasten beinhalten, die miteinander in Serie und mit dem lastseitigen Anschluss der Schaltungsschutzvorrichtung verbunden sind. Die mehreren DC-Lasten können jeweils Leuchtdioden(LED)-Leuchten sein. Mindestens einige der Leuchtdioden(LED)-Leuchten können einen DC/DC-Stromwandler beinhalten.
• Optional kann die Laststeuerung dafür ausgelegt sein, die Spannung der DC-Stromausgabe gemäß einer von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen zu variieren. Die Laststeuerung kann auch dafür ausgelegt sein, einen gepulsten DC-Ausgangsstrom an die DC-Lastvorrichtung anzupassen.
• Ebenfalls optional ist das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung für konforme Verwendung an einem Gefährdungsort zündungsgeschützt. Das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung kann elektrisch auf Masse liegen. Das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung kann antistatische Eigenschaften zeigen. Das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung kann an einem Gefährdungsort chemisch widerstandsfähig sein.
• Ebenfalls optional kann die Schaltungsschutzvorrichtung ferner mindestens einen Temperatursensor beinhalten. Das mindestens eine Festkörperschaltelement ist als Reaktion auf eine Eingabe von dem mindestens einen Temperatursensor betreibbar zum Begrenzen oder Ausschließen von elektrischem Stromfluss von dem netzseitigen Anschluss zu dem lastseitigen Anschluss und Halten einer Betriebstemperatur der Schaltungsschutzvorrichtung unter einer Nenntemperaturgrenze, wodurch die Schaltungsschutzvorrichtung zur Verwendung an dem Gefährdungsort konform gemacht wird, ohne eine separat vorgesehene explosionssichere Umhüllung zu benötigen.
• Als weitere Optionen kann mindestens ein mechanischer Schaltkontakt zwischen den netzseitigen Anschluss und den lastseitigen Anschluss in der Schaltvorrichtung geschaltet sein, und das Gehäuse der Schaltvorrichtung kann eine versiegelte innere Umhüllung aufweisen, die den mindestens einen mechanischen Schaltkontakt enthält, wodurch der Schaltkontakt davon ausgeschlossen wird, an einem Gefährdungsort eine Zündquelle darzustellen. Das mindestens eine Festkörperschaltelement kann eingekapselt sein. Die Schaltungsschutzvorrichtung kann als eine Festkörperausschaltervorrichtung ausgelegt sein. Die Schaltungsschutzvorrichtung kann als eine Hybrid-Ausschaltervorrichtung ausgelegt sein.
• Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich des Bestmodus, und auch zum Befähigen einer Fachperson, die Erfindung auszuüben, einschließlich Herstellung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen und Systeme und Durchführen jeglicher einbezogener Verfahren. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche anderen Beispiele sind dafür gedacht, innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der buchstäblichen Sprache der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der buchstäblichen Sprache der Ansprüche aufweisen.

Claims (20)

1. Stromwandlungs- und -steuerungssystem, das Folgendes umfasst: eine Schaltungsschutzvorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen netzseitigen Anschluss und einen lastseitigen Anschluss, gekoppelt mit dem Gehäuse; mindestens ein Festkörperschaltelement, das auf eine bogenfreie Weise betreibbar ist, um elektrischen Stromfluss von dem netzseitigen Anschluss zu dem lastseitigen Anschluss zu begrenzen oder auszuschließen; und eine Laststeuerung in dem Gehäuse und aufweisend eine Stromwandlerschaltungsanordnung, die eingerichtet ist zum Wandeln einer Wechselstrom(AC)-Stromversorgungseingabe in den netzseitigen Anschluss in eine Gleichstrom(DC)-Stromausgabe an dem lastseitigen Anschluss.
2. System nach Anspruch 1, wobei die Laststeuerung dafür ausgelegt ist, die Spannung der DC-Stromausgabe gemäß einer von mehreren benutzerausgewählten Einstellungen zu variieren.
3. System nach Anspruch 2, wobei das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung für konforme Verwendung an einem Gefährdungsort zündungsgeschützt ist.
4. System nach Anspruch 3, wobei die Schaltungsschutzvorrichtung ferner mindestens einen Temperatursensor aufweist, und wobei das mindestens eine Festkörperschaltelement als Reaktion auf eine Eingabe von dem mindestens einen Temperatursensor betreibbar ist zum Begrenzen oder Ausschließen von elektrischem Stromfluss von dem netzseitigen Anschluss zu dem lastseitigen Anschluss und Aufrechterhalten einer Betriebstemperatur der Schaltungsschutzvorrichtung unter einer Nenntemperaturgrenze, wodurch die Schaltungsschutzvorrichtung zur Verwendung an dem Gefährdungsort konform gemacht wird, ohne eine separat vorgesehene explosionssichere Umhüllung zu benötigen.
5. System nach Anspruch 1, wobei die Laststeuerung dafür ausgelegt ist, einen gepulsten DC-Ausgangsstrom an die DC-Lastvorrichtung anzupassen.
6. System nach Anspruch 1 in Kombination mit der mindestens einen DC- Lastvorrichtung.
7. System nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine DC-Lastvorrichtung keinen AC/DC-Stromwandler aufweist.
8. System nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine DC-Lastvorrichtung einen DC/DC-Stromwandler aufweist.
9. System nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine DC-Lastvorrichtung eine Leuchtdioden(LED)-Leuchte ist.
10. System nach Anspruch 9, wobei die Leuchtdioden(LED)-Leuchte konform zur Verwendung an einem Gefährdungsort ist.
11. System nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine DC-Last mehrere DC-Lasten umfasst, die miteinander in Serie und mit dem lastseitigen Anschluss der Schaltungsschutzvorrichtung verbunden sind.
12. System nach Anspruch 11, wobei die mehreren DC-Lasten jeweils Leuchtdioden(LED-Leuchten sind.
13. System nach Anspruch 12, wobei mindestens einige der Leuchtdioden(LED)-Leuchten einen DC/DC-Stromwandler beinhalten.
14. System nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens einen mechanischen Schaltkontakt, der zwischen den netzseitigen Anschluss und den lastseitigen Anschluss in der Schaltvorrichtung geschaltet ist, und wobei das Gehäuse der Schaltvorrichtung eine versiegelte innere Umhüllung aufweist, die den mindestens einen mechanischen Schaltkontakt enthält, wodurch der Schaltkontakt davon ausgeschlossen wird, an einem Gefährdungsort eine Zündquelle darzustellen.
15. System nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Festkörperschaltelement eingekapselt ist.
16. System nach Anspruch 1, wobei die Schaltungsschutzvorrichtung als eine Festkörperausschaltervorrichtung ausgelegt ist.
17. System nach Anspruch 1 wobei die Schaltungsschutzvorrichtung als eine Hybrid-Ausschaltervorrichtung ausgelegt ist.
18. System nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung elektrisch auf Masse liegt.
19. System nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung antistatische Eigenschaften zeigt.
20. System nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse der Schaltungsschutzvorrichtung an einem Gefährdungsort chemisch widerstandsfähig ist.

Images