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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines elektrischen Schalters.
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Im Segment der Schaltgeräte zum Schalten eines Stroms < 160A nimmt der Bedarf zu, diese Schaltgeräte kommunikationsfähig zu gestalten. Nur wenn Schaltgeräte auf den unteren Ebenen in einer Niederspannungstopologie dazu in der Lage sind, Informationen über ihren Zustand zurückzumelden auf übergeordnete Ebene, ergeben sich für den Kunden entscheidende Vorteile.
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Speziell im Segment der Schaltgeräte, die einen Strom < 160A schalten, müssen wirtschaftliche Lösungen gefunden werden, da dies ein hochvolumiger und preissensibler Markt ist. Die Kommunikationsfähigkeit sollte auf passiven elektronischen Bauelementen beruhen und ein ausreichendes Maß an Digitalisierungsmöglichkeiten inklusive IT-Sicherheit bieten. Auch sollte ein solches kommunikationsfähiges Schaltgerät ermöglichen, den Schaltzustand („ON“, „OFF“, „TRIP“) und Kontaktzustandsbewertungen vorzunehmen.
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Eine konventionelle Lösung, Schaltgeräte kommunikationsfähig zu gestalten ist die Ausstattung der Schaltgeräte mit einer ETU (Electronic Trip Unit), welche Daten über das Schaltgerät sammelt und diese über ein Bus-System an ein übergeordnetes System übergibt. Die Auswertung dieser Daten erfolgt entweder direkt in der ETU und somit im Schaltgerät oder im übergeordneten System.
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Solch eine Kommunikationsfähigkeit ist aktuell nur bei bestimmten, höherpreisigen Varianten von ETUs implementiert und zusätzliche müssen noch Kommunikationsbausteine vom Kunden erworben werden um die Daten in gewünschter Form vorliegen zu haben.
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Ein Kontaktzustand eines elektrischen Schalters, der einen Strom < 160A schaltet, kann über eine Strommessung in der ETU und Algorithmen, die auf empirisch ermittelten Parametern basieren, vorgenommen werden. Es existieren Systeme, bei denen Kontaktzustände über eine Temperaturmessung bewertet werden, aber derartige Systeme kommen typischerweise nur in größeren Schaltgeräten mit höheren Nennströmen > 250A zum Einsatz.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Schalter zur Verfügung zu stellen, der in einer Niederspannungstopologie Informationen über seinen Zustand erfassen und austauschen kann.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch den elektrischen Schalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch das Verfahren zum Bestimmen des Zustandes eines elektrischen Schalters gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 11 bis 15 angegeben.
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Der elektrische Schalter zum Öffnen und Schließen einer Strombahn gemäß Patentanspruch 1 umfasst ein Kontaktsystem mit einem beweglichen Kontakt und einem feststehenden Kontakt mit jeweils einem Kontaktstück, wobei beim Einschalten des elektrischen Schalters zum Schließen der Strombahn das Kontaktstück des beweglichen Kontakts in mechanischen Kontakt mit dem Kontaktstück des feststehenden Kontakts gebracht wird, und wobei beim Ausschalten des elektrischen Schalters zum Öffnen der Strombahn das Kontaktstück des beweglichen Kontakts mechanisch getrennt wird vom Kontaktstück des feststehenden Kontakts, und wobei am feststehenden Kontakt ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor angeordnet ist.
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Vorteilhaft beim erfindungsgemäß elektrischem Schalter ist, dass für einen Kunden entscheidende Größen - wie der Schaltzustand oder die Bewertung des Kontaktzustandes - ermittelt werden können und dadurch, unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten, eine Datenbasis für Digitalisierungsprozesse geschaffen wird. Weiterhin ist vorteilhaft, dass ausschließlich ein passives elektronisches Bauelemente wie ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor verwendet wird, der robust, preiswert, ein Sensorik-Multitalent und kommunikationsfähig ist. Weiterhin kann es ein solch erfindungsgemäßer elektrischer Schalter ermöglichen, dass die Datenaggregation in einem Zusatzgerät ohne die Anbindung dieses Gerätes an vorhandene Bus-Systeme möglich ist. Dadurch entfallen Kosten für eine ansonsten nötige Einbindung der einzelnen Schaltgeräte in ein Bus-System.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor am feststehenden Kontakt, an einem Anbauteil, welches mit dem feststehenden Kontakt verbunden ist, oder am Anschlussbereich des elektrischen Schalters angebracht. Gerade wenn der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor im Anschlussbereich des elektrischen Schalters angebracht ist, kann dieser Sensor vor beispielsweise hohen Temperaturen geschützt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Schalters kann aus dem Signal des Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors bestimmt werden, ob sich der elektrische Schalter in der Geöffnet-Stellung („OFF“) oder in Geschlossen-Stellung („ON“) befindet.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor mehrere interdigital transducer (IDT). Des Weiteren kann der elektrische Schalter mindestens einen weiteren Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor umfassen.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters ist ein weiterer Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor im Strompfad angeordnet, so dass die Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren beidseitig, also von line- und load-Seite, angeregt werden können.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist am Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor des elektrischen Schalters ein Permanentmagnet und ferroelektrisches Material angeordnet, welches mit dem beweglichen Kontakt in Wirkverbindung steht, wobei das ferroelektrische Material nur bei Auslösung vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor entfernt wird und sich dadurch dass auf den Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor wirkende Magnetfeld ändert. Aus der Änderung des auf den Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor wirkenden Magnetfelds kann ein weiterer Schalterzustand wie die Ausgelöst-Stellung („TRIP“) detektiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters umfasst das Reflexionssignal des Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors eine für den elektrischen Schalter eindeutige Identifikationsnummer. Vorteilhaft hierbei ist, dass dadurch ein Sensornetzwerk ohne Schaffung eines zusätzlichen Kommunikations-Buses und ohne die Notwendigkeit einer kompletten Systemumstellung möglich ist. Dies ermöglicht eine schnelle Realisierung eines Smart-Grids bei vorhandenen Produkten durch Implementierung von Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren. Das Surface Acoustic Wave (SAW) basierte Netz kann durch geeignete Gateways mit Schnittstellenfunktionen in bereits vorhandene Bus-Systeme eingebunden werden. Dadurch stellen Surface Acoustic Wave (SAW)-sensorbasierte Systeme keine Konkurrenz zu Bus-Systemen dar, sondern diese können parallel dazu in Niederspannungsschaltsystemen eingesetzt werden. Auch erfüllt ein solches Netzwerk die Anforderungen, dass es manipulationssicher und drahtlos ausgelesen werden kann, ohne dabei die Zuverlässigkeit der Schaltgeräte negativ zu beeinflussen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch das Verfahren zum Bestimmen eines Zustands eines elektrischen Schalters gemäß Anspruch 10 gelöst, wobei dieses Verfahren die Schritte umfasst:
- Anregung der Strombahn des elektrischen Schalters;
- Messung des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor reflektierten Signals; und
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Auswertung des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor reflektierten Signals und Bestimmung des Zustands des elektrischen Schalters.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann des Weiteren den Schritt umfassen:
- Bestimmung aus dem reflektierten Signal, ob die Strombahn geöffnet oder geschlossen ist.
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Ebenfalls kann das erfindungsgemäße Verfahren in einer weiteren Ausführungsform den weiteren Schritt umfassen:
- Bestimmung der Temperatur aus dem reflektierten Signal.
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Nach der Bestimmung der Temperatur aus dem reflektierten Signal kann das Verfahren den folgenden Schritt umfassen:
- Vergleich, ob diese Temperatur oberhalb oder unterhalb eines Schwellwertes liegt, und bei Überschreiten des Schwellwertes:
- Ausgabe eines ersten digitalen Signals, und bei unterschreiten des Schwellwerts:
- Ausgabe eines zweiten digitalen Signals.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient die Auswertung des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor reflektierten Signals der Bestimmung der Lokalisierung eines elektrischen Schalters in einem Netzwerk.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei einer Reihenschaltung von elektrischen Schaltern im Netzwerk über definierte Bragg-Reflexionen und die Auswertung der Signale im Frequenzbereich die Verschaltungsebene der elektrischen Schalter identifiziert werden, und bei vermaschten Netzwerken, bei denen elektrische Schalter in Reihen- und Parallelschaltungen angeordnet sind, zusätzlich zur Auswertung der Signale im Frequenzbereich eine Analyse des Zeitbereichs durchgeführt werden um die Positionen der elektrischen Schalter im Netzwerk zu bestimmen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise wie sie erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1: Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor;
- 2: Kommunikation eines Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors;
- 3A und 3B: Elektrischer Schalter mit Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor im geschlossenen und offenen Zustand und verschiedene Wege der Anregung und des Rücktransports des elektrischen Signals;
- 4: elektrischer Schalter mit Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor sowie Permanentmagnet und ferroelektrischem Material;
- 5: Kontaktzustandsbewertung durch gemessene Temperatur im Strompfad eines elektrischen Schalters;
- 6: Identifikation eines Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors;
- 7A und 7A: Lokalisierung von elektrischen Schaltern mit Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren in einem Niederspannungsnetzwerk;
- 8A und 8B: Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines elektrischen Schalters; und
- 9: Weiteres Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines elektrischen Schalters.
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In 1 ist ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 dargestellt. Der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 umfasst zwei interdigital transducer (IDT) 150; 151 und ein dazwischen angeordnetes Substrat 110. Die interdigital transducer (IDT) 150; 151 können durch sogenannte Bragg-Bedingungen auf bestimmte Frequenzen abgestimmt werden und sind in der Lage, Oberflächenwellen zu erzeugen und diese auch umgekehrt wieder in ein elektrisches Signal 130 zu wandeln.
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Typische Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 können in einem Temperaturbereich zwischen -25°C und + 300°C betrieben werden, haben eine Baugröße im Millimeter-Bereich und ermöglichen eine Messung der Temperatur mit einer Genauigkeit von +/- 2°C. Des Weiteren können Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 beispielsweise bei einer 32-Bit Codierung mit 232 Adressen versehen werden, sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung und sind als passive Elemente robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Alterung, Temperatur, Schwingungen oder Schocks. Ein weiterer Vorteil der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 ist der bei Herstellung in großer Stückzahl geringe Preis.
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In 2 ist ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 dargestellt, zusammen mit einem Auslesegerät 199. Prinzipiell können Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 sowohl drahtgebunden als auch drahtlos angesprochen und ausgelesen werden. Dadurch sind verschiedene Kommunikationswege möglich, die aus Systemsicht entsprechende Vor- und Nachteile aufweisen.
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In den 3A ist ein elektrischer Schalter 1000 zum Öffnen oder Schließen einer Strombahn dargestellt, wobei der elektrische Schalter 1000 ein Kontaktsystem 2000 mit einem beweglichen Kontakt 310 und einem feststehenden Kontakt 350 umfasst mit jeweils einem Kontaktstück 320; 330 umfasst. Beim Einschalten des elektrischen Schalters 1000 zum Schließen der Strombahn wird das Kontaktstück 320 des beweglichen Kontakts 310 in mechanischen Kontakt mit dem Kontaktstück 330 des feststehenden Kontakts 350 gebracht. Beim Ausschalten des elektrischen Schalters 1000 zum Öffnen der Strombahn wird das Kontaktstück 320 des beweglichen Kontakts 310 mechanisch getrennt vom Kontaktstück 330 des feststehenden Kontakts 350. Des Weiteren umfasst der elektrische Schalter 1000 angeordnet am feststehenden Kontakt 350 ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100.
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Der elektrische Schalter 1000 ist in der Darstellung der 3A, links in der Geschlossen-Stellung („ON“) und in der Darstellung der 3A, rechts in der Geöffnet-Stellung („OFF“).
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Der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 kann am feststehenden Kontakt 350, an einem Anbauteil, welches mit dem feststehenden Kontakt 350 verbunden ist, oder im Anschlussbereich des elektrischen Schalters 100 angebracht sein.
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Aus dem Signal des Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors 100 kann bestimmt werden, ob sich der elektrische Schalter 1000 in der Geöffnet-Stellung („OFF“) oder in der Geschlossen-Stellung („ON“) befindet. Es wird dabei ausgenützt, dass die Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 bzw. die interdigital transducers (IDT) 150; 151 ein stärkeres Reflexionssignal aussenden können, wenn das Schaltgerät 1000 in der Geschlossen-Stellung („ON“) ist. In der Geöffnet-Stellung („OFF“) entsteht kein ausreichend großes Reflexionssignal, da die reflektierte Welle nicht über die geöffnete Schaltstrecke laufen kann.
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Der erfindungsgemäße elektrische Schalter 1000 kann des Weiteren mindestens einen weiteren Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100' umfassen. Dieser weitere Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100' kann im Strompfad des elektrischen Schalters 1000 angeordnet sein, sodass die Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100; 100' beidseitig, also von der line- und load-Seite, angeregt werden können.
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In 3B sind die verschiedenen Arten der Kommunikation eines Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors 100 dargestellt. Dabei wird exemplarisch unter (A) eine drahtgebundene Anregung und Auslesung, unter (B) eine drahtgebundene Anregung und drahtlose Auslesung und unter (C) eine drahtlose Anregung und drahtlose Auslesung dargestellt.
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In 4 ist der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 1000 dargestellt, wobei der elektrische Schalter 1000 in der Geöffnet-Stellung („OFF“), in der Geschlossen-Stellung („ON“) oder in einer Ausgelöst-Stellung („TRIP“) sein kann. An dem Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 des elektrischen Schalters 1000 ist ein Permanentmagnet 170 und ferroelektrisches Material 171 angeordnet, welches mit dem beweglichen Kontakt 310 in Wirkverbindung steht, wobei das ferroelektrische Material 171 nur bei Auslösung vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 entfernt wird und sich dadurch das auf den Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 wirkende Magnetfeld ändert.
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In solch einer Konstruktion entsprechend der 4 kann aus der Änderung des auf den Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 wirkenden Magnetfelds ein weitere Schalterzustand entsprechend der Ausgelöst-Stellung („TRIP“) detektiert werden.
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Die Laufzeit der Oberflächenwelle bzw. die Frequenzverschiebung des Antwortsignals (Reflexionssignals) ist direkt proportional zur Stärke des sich in der Nähe befindlichen Magnetfelds. Ein größeres Magnetfeld führt zu einer längeren Laufzeit bzw. zu einer Frequenzverschiebung der Oberflächenwelle.
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In der Geöffnet-Stellung („OFF“) oder in der Geschlossen-Stellung („ON“) laufen die Magnetfeldlinien des Magnetfelds innerhalb des ferroelektrischen Materials 171, wodurch die Laufzeit des Signals nicht beeinflusst wird. In der Ausgelöst-Stellung („TRIP“) entfernt sich das ferromagnetische Material 171 und die Magnetfeldlinien laufen im Substrat 110 des Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors 100 und führen dadurch zu einer signifikanten Änderung der Laufzeit. Mit Hilfe einer solchen Anordnung kann der Ausgelöst-Zustand („TRIP“) sicher von der Geschlossen-Stellung („ON“) und der Geöffnet-Stellung („OFF“) unterschieden werden. Auch hier gilt, bei mehrpoligen Geräten kann die Zuverlässigkeit eines solchen Systems durch Verknüpfung mehrerer Pole noch einmal gesteigert werden.
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Herkömmliche schon bekannte Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 werden zur Temperaturmessung in elektrischen Schaltanlagen eingesetzt. Beispielsweise kann aus einer Impulsantwort bzw. einer Variation der zugehörigen Phasenwerte entsprechend der Darstellungen in der 5, links und rechts auf die Temperatur geschlossen werden. Durch die Positionierung im Strompfad ist es also möglich, die Temperatur an der Stelle des Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensors 100 zu messen und aufgrund der Erwärmung eine Aussage über den Kontaktzustand zu treffen. Durch ein solches System können Temperaturen mit einer Genauigkeit von +/- 2°C gemessen werden.
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Alternativ dazu könnte auch ein System entworfen werden, dass innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ein bestimmtes Antwortsignal aussendet. Sobald dieser Temperaturbereich überschritten wird, ändert sich das Antwortsignal sprunghaft. Damit kann zum Beispiel ein auf der Strombahn angebrachter Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 vorab auf eine Grenztemperatur hin optimiert werden. In vielen Fällen reicht die Information Normaltemperaturbereich oder Überlasttemperaturbereich aus, um eine Aussage über den Kontaktzustand zu treffen. Die Auswertung von nur zwei Zuständen kann dann analog zur Schaltstellungserkennung erfolgen und entlastet die Kommunikation auf dem so geschaffenen Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor-Bus.
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In der 6 ist ein Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 dargestellt, der durch ein Chirp-Signal angeregt wird. Der Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 umfasst dazu eine eindeutige Identifikationsnummer („ID“). Bei einem Einsatz von mehreren Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100; 100' in der Strombahn oder im Schaltgerät ist eine eindeutige Identifizierung möglich. Hierbei wird ein Chirp-Eingangssignal an mehreren interdigital transducern (IDT) 150; 151 mit verschiedenen Bragg-Bedingungen reflektiert und kann somit als Antwortsignal zur eindeutigen Identifikation genutzt werden.
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In 7A ist ein Niederspannungsverteilnetzwerk mit einer Reihenschaltung von elektrischen Schaltern 1000; 1000'; 1000''; 1000''' dargestellt. Über definierte Bragg-Reflektion und die Auswertung der Signale im Frequenzbereich kann die Verschaltungsebene der elektrischen Schalter 1000; 1000'; 1000''; 1000''' identifiziert werden. Die Lokalisierung wird über filternde Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren 100 realisiert, die einzelne Verschaltungsebenen identifizieren können. Bei einer Reihenschaltung von Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensoren entsprechend der Darstellung in 7A kann über definierte Bragg-Reflektion und die Auswertung von Signalen die genaue Verschaltungsebene identifiziert werden.
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Bei vermaschten Netzwerken entsprechend der Darstellung in der 7B, bei denen elektrische Schalter 1000; 1000'; 1000"; 1000'''; 1000'v in Reihen- und Parallelschaltung angeordnet sind, kann zusätzlich zur Auswertung der Signale im Frequenzbereich eine Analyse des Zeitbereichs durchgeführt werden um die Positionen der elektrischen Schalter 1000; 1000'; 1000''; 1000'''; 1000'v im Netzwerk zu bestimmen.
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In der 8A ist ein Verfahren 5000 zum Bestimmen des Zustands eines erfindungsgemäßen elektrischen Schalters 1000 dargestellt. Das Verfahren 5000 umfasst die Schritte:
- Anregung 5100 der Strombahn des elektrischen Schalters 1000;
- Messung 5200 des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 reflektierten Signal; und
- Auswertung 5300 des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 reflektierten Signals und Bestimmung des Zustands des elektrischen Schalters 1000.
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Das erfindungsgemäße Verfahren 5000 kann entsprechend der 8B den weiteren Schritt umfassen:
- Bestimmung 5400 aus dem elektrischen Signal, ob die Strombahn geöffnet oder geschlossen ist.
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Weiterhin kann das Verfahren 5000 den Schritt umfassen:
- Bestimmung 5500 der Temperatur (T) aus dem reflektierten Signal.
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In 9 ist das erfindungsgemäße Verfahren 5000 mit weiteren Schritten versehen:
- Nach der Bestimmung 5500 der Temperatur (T) aus dem reflektierten Signal:
- Vergleich 5600, ob diese Temperatur (T) oberhalb oder unterhalb eines Schwellwertes liegt, und bei Überschreiten des Schwellwertes:
- Ausgabe 5700 eines ersten digitalen Signals, und bei Unterschreiten des Schwellwerten:
- Ausgabe 5800 eines zweiten digitalen Signals.
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Das erfindungsgemäße Verfahren 5000 kann so ausgestaltet sein, dass die Auswertung des vom Surface Acoustic Wave (SAW)-Sensor 100 reflektierten Signals die Bestimmung der Lokalisierung eines elektrischen Schalters 1000 in einem Netzwerk dient.
