DE102022116567A1

DE102022116567A1 - Steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, Leistungsschaltverfahren, Steckdose, Verbraucherinstallation

Info

Publication number: DE102022116567A1
Application number: DE102022116567.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Canet; Christian Kneifel
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024008695A1

Abstract

Eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung (10) hat einen Leistungsschalter (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i), einen Steuerungseingang (12) zum Empfangen eines Steuerungsbefehls (Sb) und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals (Rss) nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) zum Beobachten der über die Leistungsversorgungsleitung (2i) transportierten Leistung und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und eine Schaltersteuerungsvorrichtung (14) zur Steuerung des Leistungsschalters (11) mit einem Schaltersteuerungssignal (Sss) nach Maßgabe des Regelschaltsignals (Rss) und des Überwachungsschaltsignals (U-ess).

Description

Die Erfindung betrifft eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, ein Leistungsschaltverfahren, eine Steckdose und eine Verbraucherinstallation, etwa einen Leistungsschalter z. B. für Jalousien, entsprechend den unabhängigen Ansprüchen.
Immer öfter wird es gewünscht, elektrische Verbraucher mit erweiterten Funktionalitäten schalten zu können, insbesondere solchen, die nicht im Gerät selbst anfänglich angelegt sind. Beispiele hierfür sind Fernbedienungen (entweder drahtlos oder über einen Netzwerkanschluss), Nebenstellen-Bedienanschlüsse, Betätigung durch Bewegungsmelder oder Gestenerkennungsvorrichtungen, umgebungsabhängige Steuerung (z.B. nach Maßgabe von Temperatur und/oder Helligkeit), oder auch das Schalten aller Leistungsleitungen, also L und N. Um solche Anforderungen erfüllen zu können, werden zunehmend weitere Schalter in den Geräteversorgungsstrang eingeschaltet, die dann das Schalten des elektrischen Verbrauchers entsprechend den gewünschten weiteren Funktionalitäten bewirken können.
Die allgemeine Topologie, innerhalb derer dies erfolgt, ist in 6 dargestellt, soweit sie ohne die Kästchen 10, 10', 10'' und Sb verstanden wird. Mit 69 ist ein elektrische Leistung ziehendes Gerät bezeichnet, beispielsweise eine Waschmaschine. Sie weist als Verbraucher 61 z. b. einen Elektromotor auf. Sie hat einen Hauptschalter 62, der vom Bediener betätigt werden kann. Daneben können weitere reguläre Schalter und Bedienelemente vorgesehen sein, die in 6 nicht gezeigt sind. Mit 64 ist eine elektrische Leitung angedeutet, mit 63 ein Stecker. Der Stecker 63 kann in eine Steckdose 65 eingesteckt werden, die beispielsweise als Wandinstallation vorgesehen sein kann. Diese Steckdose 65 wiederum ist - üblicherweise unterputz - mit Leitungen 1, 2, 3, L, N mit einer Leistungsquelle verbunden, wobei die Leitung mit einem Leitungsschutzschalter 4 abgesichert ist. Der Leitungsschutzschalter 4 hat bestimmte Abschaltcharakteristika einerseits im Hinblick auf kurzfristige Überlastungen, etwa wegen Kurzschlusses, oder im Hinblick auf langfristige Überlastungen. Der Leitungsschutzschalter hat einen bestimmten Nennwert, beispielsweise 16 A in Hausinstallationen. Bei großen Überschreitungen des Nennwerts, etwa bei Kurzschluss, muss er schnell (binnen weniger Millisekunden) abschalten. Bei weniger starken Überschreitungen etwa wegen eines Motors, der blockiert ist und deshalb stärker Strom als sonst zieht, muss er auch abschalten, was allerdings langsamer erfolgen kann. Diese Anforderungen sind normativ vorgegeben. Die schnelle Abschaltung kann elektromagnetisch ausgeführt werden. Das Abschalten wegen Überhitzung kann mittels Bimetall bewirkt werden. Wenigstens eine der Leistungsleitungen durchläuft den Leitungsschutzschalter 4, vorzugsweise der Phasenleiter L, und kann dort nötigenfalls unterbrochen werden.
Wenn in diesem Szenario ein weiterer Schalter entsprechend den oben dargestellten gewünschten zusätzlichen Funktionalitäten in den Versorgungsstrang eingebaut wird, wird dieser Schalter mit den vom Leitungsschutzschalter maximal durchgelassenen elektrischen Werten geprüft, um der gegebenenfalls auftretenden Belastung ohne thermischen oder elektrischen Fehler Herr zu werden. Die Auslegung eines solchen weiteren Schalters derart, dass er diese Prüfung besteht, ist aber nur aufwändig zu erreichen, da dies notwendigerweise zu einer vergleichsweise großen Installation führt, die insbesondere bei Nachrüstungen nicht mehr „klein“ vorgenommen werden kann.
Bekannte Absicherungsmechanismen für den zusätzlichen Schalter sind dementgegen die Stromüberwachung derart, dass bei Stromspitzen oder bestimmten Stromintegralen über die Zeit als Überlasterkennung für den zusätzlichen Schalter mit diesem zusätzlichen Schalter abgeschaltet wird. Ziel dieser weiteren Absicherung ist es, den weiteren Schalter und die zugehörige Schaltung selbst als Gefahrenquelle zu eliminieren. Sie dürfen bei kurzen großen Überschreitungen nicht überhitzen oder Feuerfangen oder schmelzen. Gleiches gilt für weniger starke, lang dauernde Überlastungen.
Nachteil der bekannten Überwachungsalgorithmen ist, dass sie schlecht an die realen Verhältnisse angepasst sind, deswegen vergleichsweise empfindlich ausgelegt werden müssen und deshalb häufig zu Fehlauslösungen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, ein Leistungsschaltverfahren, eine Steckdose und eine Verbraucherinstallation anzugeben, die mit erweiterten Funktionalitäten schaltbar sind und der Schalter realitätsnah abgesichert ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung hat einen Leistungsschalter zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung, einen Steuerungseingang zum Empfangen eines Steuerungsbefehls und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung zum Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf der Leistungsversorgungsleitung und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und eine Schaltersteuerungsvorrichtung zur Steuerung des Leistungsschalters mit einem Schaltersteuerungssignal nach Maßgabe des Regelschaltsignals und des Überwachungsschaltsignals.
Erfindungsgemäß werden also nicht primär Stromamplituden ausgewertet, sondern es werden leistungsrelevante Größen betrachtet. Ihre Auswertung kann im Hinblick auf einen oder mehrere Kennwerte des Leistungsschalters selbst erfolgen, etwa seines Innenwiderstands, seiner womöglich durch den Verbau gegebenen thermischen Isolierung und ähnliche Größen. Es ergibt sich so ein Maß dafür, welche Verlustleistung in der Leistungsschaltvorrichtung selbst entsteht und kumuliert. Die Beobachtung kann dabei so sein, dass Werte, die für den Energieeintrag in die Leistungsschaltvorrichtung kennzeichnend sind, ermittelt und ausgewertet werden. Dies kann unter Betrachtung beispielsweise des Innenwiderstands der Leistungsschaltvorrichtung und weiterer relevanter Größen geschehen.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Strommessvorrichtung aufweisen zum Messen eines in der Leistungsversorgungsleitung fließenden Stroms, die fortlaufend entsprechend einer Abtastung Einzelstrommesswerte In erzeugen kann. Als Stromsignale Im können unmittelbar diese Einzelstrommesswerte In genommen werden oder es können aus ihnen fortlaufen Kurzzeit-Mittelwerte mehrerer, vorzugsweise aufeinanderfolgender Messergebnisse ermittelt werden, die als das Stromsignal Im genommen werden, die zur Ermittlung eines Überwachungssignals herangezogen werden.
Im Leistungsversorgungsstrang eines Verbrauchers ist der Strom die variable Größe, die für die Verlustleistung im Versorgungsstrang, insbesondere in der Leistungsschaltvorrichtung relevant ist. Der Strom kann ein geeignetes Analogsignal abtastend erfasst werden. Es kann digitalisiert und dann digital oder sonst geeignet weiterverarbeitet werden.
Um aus dem Stromsignal Im Leistungseffektivwerte lm2 zu ermitteln, können die Stromwerte Im quadriert und dann über einen geeigneten Zeitraum, insbesondere eine Vollwelle oder ein Vielfaches davon integriert werden, was digital erfolgen kann, um ein Leistungseffektivwertsignal Im2 zu bestimmen. Die Abtastfrequenz kann entsprechend dem Nyquist-Kriterium als mindestens das Doppelte der höchsten Oberschwingung, die erfasst werden soll, gewählt werden. Kalibrierungswerte können berücksichtigt werden. Die Effektivwertermittlung kann auch über eine Filterung erfolgen.
Die Abtastung bzw. Stromsignalermittlung bzw. Leistungseffektivwertermittlung muss nicht dauernd vorgenommen werden. Sie kann „gelegentlich“ erfolgen, etwa sekündlich oder einmal pro Minute. Das aktuelle Ergebnis wird dann gespeichert und bis zur Aktualisierung verwendet.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Quadriereinrichtung aufweisen zum Quadrieren des Stromsignals Im, das dann integriert wird, wobei das zum Leistungseffektivwertsignal Im2 integrierte Quadrierergebnis zur Ermittlung des Überwachungssignals herangezogen wird. Die Stromsignale sind Strom-Momentanwerte des Netz-Wechselstroms, die sich entsprechend der Netzfrequenz ändern. Die Quadrate davon sind dementsprechend auch Momentanwerte, allerdings wegen der Quadrierung nicht mehr vorzeichenbehaftet.
Wenn das Integral der Quadrate des Stromsignals Im als Leistungseffektivwertsignal Im2 herangezogen wird, ist dies ein gutes Abbild des momentanen Leistungseintrags in der Leistungsschaltvorrichtung. Wie hinlänglich bekannt ist, ist allgemein der Leistungsverbrauch an einem Widerstand mit der Formel $P = I^{2} * R$

errechenbar, wobei allgemein P die Leistung ist, I der Effektivwert des anliegenden Stroms und R der Widerstand des betrachteten Geräts oder Gerätteils, vorliegend also beispielsweise der Innenwiderstand der Leistungsschaltvorrichtung. Die Verlustleistung in der Leistungsschaltvorrichtung wird darin in Wärme umgesetzt. Wenn einerseits dauerhaft mehr Verlustleistung entsprechend Wärme zu- als abgeführt wird, wird die Leistungsschaltvorrichtung anfänglich warm und später heiß und kann dann zerstört werden oder Feuer fangen. Dies setzt aber nicht instantan ein. Gegenläufige Effekte sind Abkühlung durch Wärmediffusion. Sie ist umso stärker, je höher der Temperaturgradient von der Wärmequelle zur Umgebung ist.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann deshalb eine autoregressive Mittelungsvorrichtung aufweisen, die das aktuelle Überwachungssignal aus dem jeweils jüngsten Leistungseffektivwertsignal Im2 nach folgender Formel berechnet: $Uesa = k * lm 2 + (1 - k) * Uesv$

wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal, Uesv das vorherige Überwachungssignal, lm2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal Im2 und k ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1 sind.
Wie ausgeführt ist das Leistungseffektivwertsignal Im2 ein Maß für den aktuellen Leistungseintrag. Demgegenüber ist das vorherige Überwachungssignal Uesv ein Abbild der Leistungseintrag- und Abflusshistorie. Über den Gewichtungsfaktor k werden die beiden Werte korreliert miteinander verrechnet, insbesondere aufaddiert. Der Wert k kann vergleichsweise klein sein, etwa 0,01 oder 0,005 oder noch kleiner. Er ist aber größer 0. Die dargestellte Formel eignet sich hinreichend gut zur Nachbildung realer Vorgänge. Wenn stetige Zustände herrschen, etwa ein stabiles Leistungseffektivwertsignal Im2, wird sich auch rechnerisch auf unterkritischem oder womöglich auch kritischem oder überkritischem Niveau früher oder später ein Gleichgewicht einstellen. Die Formel bildet dies ab. Auch sie führt zu einem Grenzwert, wenn konstante Verhältnisse vorliegen.
Der Grenzwert ergibt sich dabei nicht nur anhand der Messwerte bzw. Leistungseffektivwertsignal Im2, sondern auch anhand der wählbaren Parameter k und der Rechenfrequenz. Es können so die Rechenfrequenz und der Parameter k also genützt werden, die sich ergebende Kurve an die Realität anzupassen. Wegen der gewichteten Verrechnung gegen die Historie führen kurze Überströme anders als bei reiner Strombetrachtung nicht zu Fehlabschaltungen.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Faktorsetzvorrichtung aufweisen, die den Gewichtungsfaktor k setzt, insbesondere derart, dass er auf einen vorbestimmten ersten Faktorwert gesetzt wird, wenn das aktuelle Leistungseffektivwertsignal Im2 größer als das aktuelle Überwachungssignal Uesa ist, und andernfalls auf einen anderen vorbestimmten zweiten Faktorwert, der kleiner als der erste Faktorwert sein kann. Wenn die beiden gleich sind, kann der gerade geltende Faktorwert beibehalten werden. Statt des aktuellen Überwachungssignals Uesa kann auch das vorherige Überwachungssignal Uesv für den Vergleich herangezogen werden.
Mit dem fallabhängigen Setzen des Werts des Faktors k kann den unterschiedlichen physikalischen Verhältnissen beim Erwärmen bzw. Abkühlen der Leistungsschaltvorrichtung Rechnung getragen werden. Für den Zufluss primär maßgeblich ist der Leistungseintrag gemäß der Verlustleistung wie oben erläutert. Für den Wärmeabfluss primär maßgeblich ist der Isolationsgrad der Schaltung, der in gewissen Maßen ja vorhersagbar ist, und der Temperaturgradient gegenüber der Umgebung. Durch das fallabhängige Setzen unterschiedlicher Faktoren k wird eine relativ realitätsnahe Nachrechnung bzw. Simulation entsprechend der Temperatur in der Leistungsbeobachtungsvorrichtung erhalten. Dies kann mit geeigneten Schwellenwerten verglichen werden. Wenn sie überschritten werden, kann abgeschaltet werden.
Dementsprechend kann die Leistungsbeobachtungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignal nach Maßgabe des Vergleichs des aktuellen Überwachungssignals mit einem Schwellenwert zu erzeugen. Die Schaltersteuerungsvorrichtung kann eine Schwellenwerterzeugungseinrichtung aufweisen zum Erzeugen des Schwellenwerts nach Maßgabe eines vorab eingegebenen und gespeicherten Parameters, insbesondere eines Innenwiderstands der Leistungsschaltvorrichtung oder einer maßgeblichen Komponente darin. Mit der Schwellenwerterzeugungseinrichtung ist ein weiterer Parameter gegeben, mit dem die Abschaltcharakteristik bestimmt werden kann.
Wenngleich oben der Geräteparameter als zur Erzeugung eines Schwellenwerts verwendet beschrieben ist, sei darauf hingewiesen, dass er stattdessen oder auch für die Ermittlung des Überwachungssignals verwendet werden kann. Wesentlich ist, dass das leistungskorreliert errechnete Signal und der Schwellenwert relativ zueinander sinnvoll kalibriert sind.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann eine Setzvorrichtung zum Eingeben oder Bestimmen und Speichern der Abtastfrequenz der Strommessvorrichtung aufweisen, wobei die Strommessvorrichtung dazu ausgelegt ist, den in der Leistungsversorgungsleitung fließenden Strom, insbesondere dessen Effektivwert oder ein damit korreliertes Signal, entsprechend der gesetzten Abtastfrequenz zur Messung abzutasten und ggf. aus mehreren Abtastwerten einen Mittelwert zu bilden, um das Stromsignals zu bilden.
Die Abtastfrequenz für die Strommessung ist ein relevanter Parameter, der unter anderem für die benötigte Rechenleistung maßgeblich ist. Er kann hinsichtlich der erwarteten Temperaturdynamiken gesetzt werden. Die Abtastfrequenz kann kleiner 10 oder 5 oder 2 Hz sein.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann bei der Strommessvorrichtung einen A/D-Wandler zur A/D-Wandlung des Strommesswerts, insbesondere des gemessenen Effektivwerts oder korrelierten Signals, aufweisen, und eine digital arbeitenden Schaltung zur digitalen Weiterverarbeitung der digitalen Ausgabe des A/D-Wandlers. Die Strommessvorrichtung kann einen seriellen Messwiderstand oder einen induktiven Abgriff aufweisen. Der Leistungsschalter kann ein Relais aufweisen und die Schaltersteuerungsvorrichtung eine Treiberschaltung für das Relais, die dazu ausgelegt ist, nach Maßgabe des Schaltersteuerungssignals ein Relaisansteuersignal zu erzeugen.
Allgemein kann die vorzunehmende Signalauswertung und Verarbeitung in einer geeigneten elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Es kann eine ganz oder teilweise integrierte Schaltung sein. Sie kann weitgehend digital arbeiten und dann zwischen dem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) am Eingang und dem Treiber am Ausgang liegen. Die Schaltung kann ein ASIC sein oder aufweisen. Es kann sich um einen kleinen Mikrorechner mit den rechnerüblichen Komponenten wie RAM, ROM, CPU, Register, Eingabe- und Ausgabeschnittstellen und Bus handeln.
Ein Messwiderstand, auch „shunt“ genannt, kann seriell in der geschalteten Leitung liegen. Er ist vergleichsweise klein, um dementsprechend einen kleinen Spannungsabfall und kleinen Leistungseintrag zu erzeugen. Der Spannungsabfall längs des Messwiderstands ist proportional zum in ihm fließenden Strom, also proportional zum Strom durch die Leistungsschaltvorrichtung, und ist somit ein präzises Abbild des den Leistungseintrag bestimmenden Stroms. Der Strom kann aber auch induktiv abgegriffen werden. Die elektrische Spannung auf der Leistungsversorgungsleitung ist in aller Regel Wechselspannung, die induktiv oder über magnetische Effekte, abgegriffen werden kann. Vorteil des induktiven oder magnetischen Abgriffs ist, dass er praktisch keinen eigenen Spannungsabfall erzeugt. Nachteil ist, dass die Sensorik und ggf. die Weiterverarbeitung in ein auswertbares Signal aufwändiger ist.
Wenn der Strom Wechselstrom ist, werden auch Messwiderstand oder induktiver Abgriff ein Wechselsignal als Messsignal erzeugen. Es kann vor seiner Abtastung analog gleichgerichtet und geglättet werden.
Der Leistungsschalter selbst kann ein Relais, insbesondere ein elektromechanisches Relais, und/oder einen Leistungshalbleiter sein. In jedem Fall ist eine geeignete Treiberschaltung vorgesehen. Der Leistungshalbleiter kann ein FET oder ein MOSFET oder ein IGBT oder ein TRIAC oder eine Kombination davon sein oder aufweisen, z. B. ein TRIAC mit einem MOSFET kombiniert.
Die beschriebene Leistungsschaltvorrichtung kann in einem Verbraucher oder in einer Leitungskomponente verbaut sein. Sie kann in eine Steckdose eingebaut sein, die in einer Gebäudewand installiert sein kann. Dementsprechend hat eine Steckdose mindestens einen Versorgungsanschluss für den Anschluss an eine Leistungsversorgungsleitung, Steckkontakte für das Einstecken eines Steckers eines Verbrauchers, und zwischen dem Versorgungsanschluss und wenigstens einem der Steckkontakte eine Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben.
Es kann sich um eine normal erscheinende Steckdose handeln, die neben den herkömmlichen Komponenten die Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben aufweist und dann ein zusätzliches Schalten der über die Steckdose transportierten Leistung erlaubt, etwa über einen auch vorgesehenen Fernsteueranschluss oder Bewegungsmelder oder ähnliches.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann aber auch direkt in einer Verbraucherinstallation verbaut sein, etwa in einer Waschmaschine oder ähnlichem, wobei hier das Vorsehen der Leistungsschaltvorrichtung im jeweiligen Stecker des Geräts oder der Maschine mitinkludiert ist. Auch diese Installation erlaubt dann weitere Funktionalitäten, etwa das Fernsteuern des jeweiligen Geräts. Dementsprechend hat eine Verbraucherinstallation einen elektrischen Verbraucher, einen Anschluss an ein Netz elektrischer Leistung, zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem Anschluss einem Benützerschalter zum Schalten elektrischer Leistung für den Verbraucher und zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem Anschluss einer Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben. Die Leistungsschaltvorrichtung ist zusätzlich zum herkömmlichen Geräteschalter vorgesehen.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann auch separat eingehäust sein. Sie kann zum Einbau in eine Einbaunische dimensioniert sein, etwa zum Verbau in einer standardisierten Unterputzdose. Sie kann für den Verbau in einer Unterputzdose unter einer anderen Komponente, etwa einer Steckdose oder einem Schalter oder Taster oder Dimmer, dimensioniert sein und kann dementsprechend flach bzw. angepasst dimensioniert sein. Sie kann auch für den Reiheneinbau gestaltet und eingehäust sein.
Sie kann für die Hutschienenmontage in einer Verteilung oder Unterverteilung ausgelegt sein. Sie kann auch als Zwischenstecker gestaltet sein. Der Zwischenstecker kann als Aufsteckgerät für eine normale Steckdose, also kabellos gebaut sein.
Auch Gegenstand der Erfindung ist ein Leistungsschaltverfahren mit den Schritten Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf einer Leistungsversorgungsleitung mit einem Leistungsschalters darin und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und Ansteuern des Leistungsschalters zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung nach Maßgabe des Überwachungsschaltsignals. Das Ansteuern des Leistungsschalters kann nach Maßgabe eines Kennwerts des Leistungsschalters erfolgt, insbesondere seines Innenwiderstands. Daneben kann in dem Leistungsschaltverfahren das Ansteuern des Leistungsschalters auch nach Maßgabe eines weiteren Kriteriums erfolgen, was der primären Funktion der Leistungsschaltvorrichtung entspricht.
Das Verfahren kann allgemein diejenigen Schritte umfassen, die oben implementiert durch gewisse Gerätschaften beschrieben sind, insbesondere also auch die Errechnung des aktuellen Überwachungssignals wie weiter oben beschrieben, den Schwellenwertvergleich, die Ermittlung der jeweiligen Systemparameter, das Abtasten und A/D-Wandeln und weiteres.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen

1 eine Leistungsschaltvorrichtung in einer möglichen Einbauumgebung,
2 eine Strommessvorrichtung,
3 eine Mittelungsvorrichtung,
4 eine Schaltsteuerungsvorrichtung,
5A bis 5F verschiedene Zeitdiagramme,
6 weitere Verbaumöglichkeiten der Leistungsschaltvorrichtung, und
7 das Abbild eines realen Geräts.

1 zeigt eine Leistungsschaltvorrichtung 10 verbaut an einem abstrakt dargestellten Verbauort 50. Rechts davon ist ein elektrischer Verbraucher 9 schematisch gezeigt. Beispielsweise kann es sich um Beleuchtung oder ein elektrisches Gerät handeln. Links der Leistungsschaltvorrichtung 10 liegt das elektrische Leistungsnetz. Üblicherweise wird es ein Wechselstromnetz sein, etwa für Deutschland ein Wechselspannungsnetz mit 230 V Effektivwert und 50 Hz. Die Leistung liegt zwischen einer Neutralleitung N, 3 und einem Phasenleiter L, 2 an und wird von dort über Stichleitungen 2a, 3a abgegriffen.
Üblicherweise ist der Leistungsabgriff mit einem Leitungsschutzschalter 4 abgesichert, der in seinen Eigenschaften normativ reguliert ist. Er wurde eingangs beschrieben. Wenigstens eine der Leistungsleitungen durchläuft den Leitungsschutzschalter 4, vorzugsweise der Phasenleiter L, und kann dort nötigenfalls wie beschrieben unterbrochen werden.
Wenigstens einer der Leistungsleiter 2, 3 durchläuft die Leistungsschaltvorrichtung 10, vorzugsweise der Phasenleiter L, 2, 2a, 2b. Im Inneren der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist er mit Bezugsziffer 2i symbolisiert. 11 symbolisiert einen Leistungsschalter, der dazu ausgelegt ist, die erwartete Leistung, insbesondere den erwarteten Strom, zu führen. Es kann sich um ein Relais oder um einen Leistungshalbleiter handeln. Er weist in jedem Fall aber auch einen Innenwiderstand auf, etwa bei einem Relais einen Kontaktwiderstand, oder bei einem Halbleiter die halbleiterüblichen Schwellen, so dass entsprechend diesem Spannungsabfall Wärme entsteht, wenn Strom fließt.
Der Leistungsschalter 11 dient primär zum Implementieren einer zusätzlichen Schaltfunktion wie etwa das beschriebene Fernsteuern oder bewegungs- oder gestensensitive Steuern oder ähnliches. Hierfür ist ein Steuerungseingang 12 vorgesehen, der diese Primärfunktion durchführt und letztlich auch auf den Leistungsschalter 11 einwirken kann. Graphisch angedeutet ist eine Fernsteuerung, die einen Steuerungsbefehl Sb sendet, der am Steuerungseingang 12 empfangen und geeignet weiterverarbeitet wird und zu einem Regelschaltsignal Rss führt.
Um die Leistungsschaltvorrichtung 10 gegen Gerätefehler, insbesondere Erhitzung am Innenwiderstand der Leistungsschaltvorrichtung 10 zu schützen, ist weiter eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 vorgesehen. Sie beobachtet die transmittierte Leistung und erzeugt daraus geeignete Schaltsignale, die ebenso auf den Leistungsschalter 11 einwirken können. Wenn insbesondere festgestellt wird, dass die Leistungsschaltvorrichtung 10 überhitzt, kann dies zum Öffnen des Schalters 11 führen, so dass der Leistungsfluss unterbrochen ist und das Gerät abkühlt. Es erzeugt so die Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 ein Überwachungsschaltsignal Uess. Der Steuerungseingang 12 erzeugt ein Regelschaltsignal Rss. Mit 14 ist eine Schaltersteuerungsvorrichtung gezeigt, die entsprechend der Primärfunktion das Regelschaltsignal Rss vom Steuerungseingang 12 her empfängt und entsprechend einer Überwachungsfunktion oder Sekundärfunktion von der Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 her das Überwachungsschaltsignal Uess. Sie ermittelt daraus ein Schaltersteuerungssignal Sss, das insgesamt zur Ansteuerung des Leistungsschalters 11 verwendet wird.
Das Rücksetzen des Abschaltens, also das Wieder-Anschalten nach Abschalten aufgrund der Leistungsbeobachtung, kann gemäß mehreren Strategien erfolgen. Es kann z. B. der Beobachtungsalgorithmus einfach weiterlaufen, jedoch für das Wieder-Anschalten hystereseartig einen anderen, niedrigeren Schwellenwert verwenden. Es können auch normale Schaltaktivitäten für die benötigte Leistung und/oder Schaltungen am Leitungsschutzschalter, hier z. B. ein kurzes Aus-An-Muster, überwacht werden und auf ihre Erfassung hin zum Wieder-Anschalten herangezogen werden. Es kann auch ein Schalter oder Taster an der Leistungsschaltvorrichtung selbst vorgesehen sein, die das manuelle Wieder-An-Schalten ermöglichen, womöglich nach Eingabe eines vorbestimmten Schalt- oder Tastmusters, etwa mehrere Tastungen kurz hintereinander.
Da es sich beim beobachtungsbedingten Abschalten letztlich um einen schweren Fehler handelt, kann ein Warnmechanismus oder Alarmgeber vorgesehen sein, der beim beobachtungsbedingten Abschalten aktiviert wird.
Die Schaltersteuerungsvorrichtung 14 kann eine Treiberschaltung aufweisen, die gegebenenfalls aus digitalen Signalen die nötigen Analogsignale erzeugt, um den Leistungsschalter 11 anzusteuern.
1 zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Leistungsleiter L, 2 und N, 3 durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt sind. Dementsprechend weist die Leistungsschaltvorrichtung 10 selbst Anschlüsse 18a, 18b, 19a, 19b auf, bzw. die Einbauumgebung 50 weist Anschlüsse 58a, 58b, 59a, 59b auf. Es ist aber nicht nötig, dass beide Leistungsleiter 2, 3 durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt werden. Es kann zum Schalten der Leistung nur einer von beiden durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt sein. In 1 würde dann die Stichleitung weg vom Neutralleiter N, 3 nicht durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 laufen.
2 zeigt Merkmale der Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13. Sie kann eine Strommessung ausführen. Gezeigt ist ein in die Leistungsleitung 2i, L eingeschalteter Messwiderstand 21, oft auch als „shunt“ bezeichnet. Wenn Strom durch die Leitung 2i, L fließt, entsteht längs des Messwiderstands 21 ein Spannungsabfall, der in einer Messschaltung 22 erfasst und vorverarbeitet werden kann. Die Messschaltung kann einen Sample-and-Hold-Verstärker aufweisen mit anschließender Analog/Digital-Wandlung - A/D-Wandlung, zusammen symbolisiert unter Bezugsziffer 22a. Der Sample-and-Hold-Verstärker 22a kann die Abtastung gemäß einer vorgegebenen Abtastfrequenz bzw. Abtasthäufigkeit vornehmen. Die Vorgabe kann aus einer Setzeinrichtung 25 kommen. Es entstehen so zeitseriell gemessene Stromwerte, die am Ausgang eines A/D-Wandlers digital in gewünschter Auflösung, beispielsweise 8 Bit, abgreifbar sind. Es kann hier auch eine erste Kurzzeit-Mittelung 22b erfolgen, indem aus einigen zeitseriellen Messwerten jeweils ein Mittelwert gebildet wird. Sie mittelt über weniger als eine Halbwelle, bspw. weniger als 20 oder 10 oder 5 aufeinander folgende Messwerte. Die Abtastfrequenz kann über 1 oder 2 oder 5 oder 10 kHz liegen. Sie kann unter 20 oder 10 kHz liegen. Die Mittelwertbildung kann Werte, insbesondere vorzeichenfreie Beträge, über eine Halbwelle oder Vollwelle oder Vielfache davon erfassen.
Es entsteht so ein vorverarbeitetes Stromsignal Im, das den Momentanwert des Stroms darstellt. Bei ideal sinusförmiger Versorgungsspannung gilt dann näherungsweise für das Stromsignal Im $lm = lo * sin (ω t)$

wobei Io die Stromamplitude, ω das 2π-fache der Netzfrequenz und t die Zeit sind. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass Lasten auf die Versorgung zurückwirken können, so dass sich am Versorgungseingang auch vom idealen Verlauf deutlich abweichende Wellenformen ergeben können.
Das Stromsignal kann zur Leistungsermittlung herangezogen werden. Beispielhaft hierfür ist eine Quadrier- und Integriereinrichtung 23 gezeigt, die das Stromsignal Im empfängt, es quadriert und über einen sinnvollen Zeitraum, insbesondere über eine Halbwelle oder Vollwelle oder ein Vielfaches davon, integriert, und so ein Leistungseffektivwertsignal Im2 erzeugt und ausgibt. Der Begriff „Integration“ kann hier auch eine Mittelung oder Filterung (insbesondere Tiefpass) bezeichnen.
Die Einrichtung 23 kann digital arbeiten bzw. rechnen. Entsprechend dem quadrierten Stromwert ist das Leistungseffektivwertsignal Im2 ein Maß für die in der Leistungsschaltvorrichtung 10 anfallende Verlustleistung. Letztere setzt sich zusammen aus den Einzel-Verlustleistung am Messwiderstand 21, am Leistungsschalter 11, an den internen Leitungen und an den Klemmen.
Statt eines Messwiderstands 21 kann auch ein induktiver oder magnetischer Abgriff verwendet werden, um den in der Leistungsleitung 2i, L fließenden Strom zu messen. Es können z. B. Hall-Sensoren für einen magnetischen Abgriff verwendet werden. Sowohl längs eines Messwiderstands 21 als auch bei einem induktiven oder magnetischen Abgriff entsteht ein Wechselsignal, wenn Wechselstrom fließt.
Das Leistungseffektivwertsignal Im2 aus dem Quadrierer und Integrierer 23 ist das Abbild des momentanen Verlustleistungseintrags in die Leistungsschaltvorrichtung 10. Es bildet damit aber nicht die insgesamt herrschenden Verhältnisse ab, denn diese hängen ja auch von der Vorgeschichte ab, insbesondere davon, wie lange und wie hoch vorher der Leistungseintrag war. Ein kurzer Verlustleistungseintrag kann unschädlich sein und muss nicht zur Abschaltung des Geräts wegen drohender Überhitzung führen. Es werden deshalb weitere Einrichtungen vorgesehen, um ein reale Verhältnisse sinnvoll darstellendes Überwachungssignal erzeugen zu können. Es ist hierfür eine Mittelungsvorrichtung 24 vorgesehen. Es kann hier insbesondere ein autoregressiver Durchschnitt gebildet werden, indem das neue Leistungseffektivwertsignal gewichtet zum bisherigen Signal addiert wird gemäß der Formel $Uesa = K \cdot lm 2 + (1 - k) \cdot Uesv$

wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal ist, Uesv das vorherige Überwachungssignal, lm2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal und K ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1.
Das Leistungseffektivwertsignal Im kann wie oben beschrieben oder in anderer Weise bestimmt werden. Der Faktor k kann vergleichsweise klein sein. Er kann unter 0,5 oder 0,2 oder 0,1 oder 0,05 oder 0,02 oder 0,01 oder 0,005 liegen. Bei der fortwährenden Verrechnung beeinflusst somit das Leistungseffektivwertsignal „langsam“ das aktuelle Überwachungssignal, das ähnlich Ausgleichsvorgängen dem Leistungseffektivwertsignal langsam folgt. Die obige Formel 1 kann hierfür verwendet werden, da sie einfach implementierbar ist, nur die Grundrechenarten und wenige Register zur Abarbeitung benötigt.
3 zeigt schematisch eine Schaltung zur Implementierung der Formel 1 oben. Die gezeigte Struktur stellt die Mittelungsvorrichtung 24 in 2 dar. Sie empfängt das Leistungseffektivwertsignal Im2 links und gibt rechts das aktuelle Überwachungssignal Uesa aus. Getaktet in diskreter digitaler Signalverarbeitung wird am Summierpunkt 32 eine Addition vorgenommen, nämlich des mit dem Faktor K gewichteten Leistungseffektivwertsignals lm2 und des mit dem Faktor 1 - K gewichteten rückgeführten aktuellen Überwachungssignals, das dann logisch betrachtet das vorherige Überwachungssignal Uesv darstellt.
35 symbolisiert eine Faktorsetzvorrichtung, die den Faktor k, der in den Multiplizierern 31 und 34 verwendet wird, setzt. Denkbar sind hierbei simple Ausführungsformen, bei denen der Faktor festgesetzt ist. 3 zeigt demgegenüber eine komplexere Ausführungsform, bei der der Faktor k abhängig davon auf Werte k1 oder k2 gesetzt werden soll und kann, ob die Temperatur steigt oder sinkt. Dies trägt dem Gedanken Rechnung, dass diese physikalischen Effekte durch unterschiedliche Gegebenheiten bestimmt sind und somit vorteilhafterweise nicht gleich gerechnet werden. Die Aufheizgeschwindigkeit bestimmt sich anhand des Leistungseintrags, während sich die Abkühlgeschwindigkeit aus Ausgleichsvorgängen gegenüber der Umgebung einstellt. Dies kann vorab empirisch ermittelt werden und kann dann bei der Herstellung des Geräts in Form von zwei Faktoren k1 und k2 diesem eingeschrieben werden, die für den einen oder für den anderen Fall verwendet werden.
Die Faktorsetzvorrichtung 35 kann dazu ausgelegt sein zu erkennen, ob ein Temperaturanstieg oder Abfall vorliegt. Es kann sich durch Vergleich der Größen des Leistungseffektivwertsignals lm2 und des aktuellen Überwachungssignals Uesa ergeben. Übersteigt erstere die letztere, liegt eine Temperaturerhöhung vor, und es kann einer der Faktoren k verwendet werden. Andernfalls kann der andere verwendet werden. Für den Vergleich des Leistungseffektivwertsignals kann auch das vorherige Überwachungssignals Uesv herangezogen werden.
Zusammenfassend kann die Signalverarbeitung in einer Ausführungsform wie folgt aufgezählt werden:

(1) Digitalisierung und Einzelstrommessung über S/H-Verstärker 22a
(2) Optional: In 22b Digitale Kurzzeitmittelung (über z. B. weniger als 20 oder 10 oder 5 aufeinander folgende Einzelstrommessungen), um Messfehler und Rauschen auszugleichen, die bei der Quadrierung schädlich wären.
(3) In Quadrierer/Integrierer 23 Quadrieren des Signals aus 22a oder 22b, um Leistungs-Momentanwerte zu erhalten
(4) Noch in 23 Mittelung/Integration/Filterung über Vollwelle, um Leistungseffektivwertsignal Im2 zu erhalten
(5) lm2 aus (4) oder ein anderweitig erzeugtes Leistungseffektivwertsignal Im2 geht in die Autoregression 24.

Die Ermittlung des Leistungseffektivwerts Im zur Verwendung in der Autoregression kann durch einen spezialisierten IC erfolgen. Beispielsweise kann der Chip ADE9153A von Analog Devices und das darin implementierte Verfahren verwendet werden.
4 zeigt schematisch die Schaltersteuerungsvorrichtung 14. Sie erzeugt ein Schaltersteuerungssignal Sss und gibt es aus. Sie empfängt einerseits das Regelschaltsignal Rss zur Steuerung des Leistungsschalters entsprechend der gewünschten Primärfunktion. Sie empfängt andererseits das Überwachungsschaltsignal Uess, das das Überwachungsergebnis der internen Temperatur widerspiegelt. Die beiden Signale werden in geeigneter Weise miteinander verknüpft und dann einer Treiberschaltung 42 zugeführt. Die Verknüpfung kann eine VerODERung in der Weise sein, dass als Schaltersteuerungssignal Sss z. B. ein Abschaltsignal (Unterbrechen der Leistungsleitung 2i durch Öffnen des Schalters) erzeugt wird, wenn entweder das Regelschaltsignal Rss oder das Überwachungsschaltsignal Uess dies fordern.
Um die Leistungsschaltvorrichtung leicht an unterschiedliche Einbausituationen bzw. elektrische Umgebungen anpassen zu können, kann sie mehrere Parametersätze (z. B. Abtastfrequenz und/oder Werte k, k1, k2 und/oder Schwellenwert Sw und/oder Kalibirerwerte) auswählbar eingespeichert haben und eine Wählvorrichtung hierfür aufweisen. Die Parametersätze können jeweils einen oder mehrere oder alle in dieser Beschreibung erläuterten Parameter und ggf. weitere Parameter enthalten. Wenn einer von ihnen über die Wählvorrichtung gewählt wird, werden dessen Parameter für den Betrieb der Leistungsschaltvorrichtung gesetzt und verwendet.
Die Leistungsschaltvorrichtung und insbesondere ihr im Betrieb verwendeter, z. B. vorher eingegebener oder fest eingeschriebener oder gewählter Parametersatz können an typische Verbausituationen oder elektrische Betriebsumgebungen der Leistungsschaltvorrichtung angepasst sein oder werden, z. B. an Eigenschaften eines Leitungsschutzschalters und/oder eines vorgesehenen Verbrauchers. Mehrere auswählbar eingespeichert Parametersätze können dann mehrere solche Verbausituationen oder elektrische Betriebsumgebungen abbilden.
Die 5A bis 5F zeigen beispielhaft jeweils Zeitverläufe verschiedener Grö-ßen. Die Abszisse bezeichnet den Zeitverlauf in Messpunkten, wobei zwei Messungen pro Sekunde angenommen sind. Die angezeigten 3500 Verrechnungspunkte entsprechen also einer Zeit von 1750 Sekunden und mithin einer knappen halben Stunde. 53 bezeichnet den gemessenen Stromwert, für den die Ordinate 52 rechts an der Grafik angegeben ist. 54 bezeichnet das rechnerisch ermittelte aktuelle Überwachungssignal Uesa, für das die Ordinate 51 links angegeben ist. 55 bezeichnet einen maximal zulässigen Dauerstrom der Leistungsschaltvorrichtung, für den die Ordinate wieder rechts als 52 angegeben ist. 56 bezeichnet den Schwellenwert Sw aus Einrichtung 26, für den die Ordinate 51 links gilt.
In 5A ist eine andauernde Überlast mit 25 A angenommen. Sie führen zu einem Anstieg des Überwachungssignals Uesa gemäß Kurve 54. Der maximal zulässige Dauerstrom ist mit 18 A angenommen. Der Schwellenwert Sw ist zu einem Zahlenwert 324 = 18*18 angenommen. Er wird etwa zum Messzeitpunkt 1800, also nach etwa 900 Sekunden entsprechend 15 Minuten überschritten. Dies würde dann zu einem Überwachungsschaltsignal Uess führen, das die Abschaltung der Leistungsschaltvorrichtung 10 bewirkt, indem der Leistungsschalter 11 geöffnet (unterbrochen) wird, weil die Leistungsschaltvorrichtung 10 rechnerisch ermittelt zu warm wird, was durch Unterbrechen der Stromzufuhr unterbunden werden kann.
In 5B ist mit Kurve 53 ein Strom von knapp 18 A angenommen, der knapp unter dem zulässigen Dauerstrom gemäß Kurve 55 von 18 A liegt. Es stellen sich dann stabile Verhältnisse auch bei der beschriebenen Rechnung ein. 56 zeigt wieder den Schwellenwert entsprechend den zulässigen 18 A Dauerstrom. Der stabile Rechenwert gemäß dem aktuellen Überwachungssignal Uesa in Kurve 54 liegt knapp unter dem Schwellenwert der Kurve 56, so dass das Gerät, also die Leistungsschaltvorrichtung 10 kontinuierlich ohne Unterbrechung arbeiten kann.
5C zeigt ein Beispiel, bei dem eine Last wie in Kurve 53 gezeigt eine Stromspitze beim Einschalten hat, wobei der Strom dann auf deutlich geringere Werte fällt. Der zulässige Dauerstrom ist gemäß Kurve 55 wieder 18 A. Er wird anfänglich deutlich überschritten. Das Rechnen gemäß Kurve 54 und Überwachungssignal Uesa führt zur Kurve 54, die den Schwellenwert Sw von 324 = 18*18 nicht überschreitet.
5D zeigt ein Beispiel mit einer länger dauernden Stromspitze zu Beginn des Betriebs eines Geräts, wie durch Kurve 53 angedeutet. Dementsprechend klettert auch der Rechenwert Uesa des aktuellen Überwachungssignals auf Werte über dem Schwellenwert gemäß Kurve 56, so dass etwa beim Rechenzeitpunkt 300 entsprechend 150 Sekunden oder 2½ Minuten es zu einer Abschaltung käme und der Strom augenblicklich auf 0 sinkt. Gezeigt ist aber der experimentell angenommene Fall, bei dem die Erfindung nicht angewendet wird und der Strom nicht abgeschaltet wird, sondern von selbst auf deutlich kleinere Werte sinkt. Dementsprechend sinkt auch der Rechenwert und fällt etwa beim Rechenzeitpunkt 1200 unter den Rechenschwellenwert 56. Nach einem erfindungsgemäßen Abschalten bei Rechenzeitpunkt 300 kann das wiederanschalten nach einer der vorher genannten Strategien erfolgen.
5E zeigt den gleichen Stromverlauf 53 wie 5C. Allerdings ist angenommen, dass schon vorher eine andere Gerätegeschichte vorlag, so dass der Rechenwert des aktuellen Überwachungssignals gemäß Kurve 54 bei einem höheren Wert als in 5C beginnt und deshalb auch anders als in 5C den Schwellenwert 56 überschreitet.
5F zeigt den Stromverlauf eines Geräts, der pulsiert. Es kann sich beispielsweise um eine Waschmaschine handeln, die kontinuierlich heizt (Grundstrom von etwa 8 A), und bei der gelegentlich, aber nicht immer, die Trommel in Drehbewegung versetzt wird, was zu Stromspitzen von 20 A gemäß Kurve 53 führt. Der Rechenwert des aktuellen Überwachungssignals Uesa 54 pulsiert dementsprechend, gelangt aber nicht über den wiederum maßgeblichen Schwellenwert 56. Es wird also nicht abgeschaltet.
6 zeigt weitere Verbaumöglichkeiten der Leistungsschaltvorrichtung 10. Ganz rechts ist sie als Teil eines elektrischen Geräts 69 gezeigt, beispielsweise einer Waschmaschine. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Haushaltsgerät oder auch um ein industrielles Gerät oder um eine Maschine handeln. 62 symbolisiert den herkömmlichen Schalter des Geräts. 10 ist die Leistungsschaltvorrichtung 10 wie beschrieben, die zusätzlich zum herkömmlichen Schalter 62 vorgesehen ist. 61 ist der eigentliche Verbraucher, etwa ein Motor. Für die Primärfunktion der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist der Steuerungsbefehl angedeutet, der drahtlos der Leistungsschaltvorrichtung 10 zugeführt werden kann.
Alternativ zum Vorsehen der Leistungsschaltvorrichtung 10 im Gerät 69 selbst kann sie in dessen Stecker 63 vorgesehen sein, was mit Bezugsziffer 10' angedeutet ist, oder in einem Zwischenstecker. Der Stecker kann dann klobiger als sonst ausfallen, kann dann aber die erweiterten Funktionalitäten betreffs schalten bereitstellen. Auch hier ist wieder die Primärfunktion durch das gestrichelte Andeuten eines zugeführten Steuerungsbefehls symbolisiert.
Eine weitere, alternativ zu den bisher in 6 beschriebenen Möglichkeiten des Verbaus der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist es, sie in einer Steckdose 65 vorzusehen. Dies ist mit Bezugsziffer 10" in 6 angedeutet. Auch sie würde gemäß der gewünschten Primärfunktion beispielsweise einen Steuerungsbefehl Sb zugeführt bekommen und im Übrigen arbeiten wie vorstehend beschrieben. Die Leistungsschaltvorrichtung 10 kann aber auch in einem Schaltschrank oder Kabel oder einem sonst geeigneten Ort untergebracht sein.
7 zeigt einen Prototyp. Angenommen ist ein Verbau gemäß Bezugsziffer 10" in 6, also integriert in bzw. mit einer Steckdose, die in einer Gebäudewand verbaut sein kann, etwa in einer Unterputzdose. Dies kann der Einbauumgebung 50 in 1 entsprechen. Die Steckdose 65 weist die Kontakte 71 für einen passenden Stecker auf. 7 zeigt links die Ansicht von vorne und rechts die Ansicht von hinten. An der Rückseite sind die üblichen Leistungsleitungsanschlüsse 72L für den Phasenleiter 2, L, 72N für den Neutralleiter 3 und 72S für den Schutzleiter zu sehen. 73 ist die in die Steckdose fest verbaute Leistungsschaltvorrichtung 10, wobei in 7 insbesondere das Relais, das den Leistungsschalter 11 bildet, zu sehen ist. 74 ist eine Empfängerstruktur an der Vorderseite der Steckdose 65, mit der für die gewünschte Primärfunktion der Leistungsschaltvorrichtung 10 drahtlos ein Steuerungsbefehl empfangen werden kann, der dann wie auch beschrieben für die Ansteuerung des Relais 73 herangezogen werden kann. Die Empfängerstruktur kann auch eine Eingabemöglichkeit für Benützer aufweisen, etwa um das Wieder-An-Schalten nach Abschalten zu befehlen. Dies kann manuell mechanisch tastend geschehen oder ebenso drahtlos.
Die für die Kalibrierung nötigen Werte, etwa Faktor k, k1, k2, Schwellenwert Sw, Rechenfrequenz, Proportionalitätskonstanten, Innenwiderstände, Übergangswiderstände und ähnliches können empirisch ermittelt und dem Gerät elektronisch verwertbar eingeschrieben sein.
Die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen beschriebenen oder in einer Abbildung dargestellten Merkmale sollen auch dann als untereinander kombinierbar gelten, wenn ihre Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Merkmale, die in einem bestimmten Kontext, einer bestimmten Ausführungsform, Figur oder einem bestimmten Anspruch beschrieben werden, sollen auch als von diesem Anspruch, Kontext, Ausführungsform oder Figur trennbar und als mit jeder anderen Figur, Anspruch, Ausführungsform oder Kontext kombinierbar angesehen werden, soweit dies technisch möglich ist. Ausführungsformen und Figuren sollen nicht als notwendigerweise ausschließlich gegeneinander verstanden werden. Beschreibungen eines Verfahrens oder eines Ablaufs oder eines Verfahrensschrittes oder eines Ablaufschrittes sind auch als Beschreibung von Einrichtungen und/oder eventuell Programmanweisungen von ausführbarem Code auf einem Datenträger zu verstehen, die für die Implementierung des Verfahrens oder des Ablaufs oder des Verfahrensschrittes oder des Ablaufschrittes geeignet sind, und umgekehrt.
Bezugszeichenliste

1: Leistungsversorgungsnetz
2: Phasenleiter
3: Neutralleiter
4: Leitungsschutzschalter
9: elektrischer Verbraucher
10: Leistungsschaltvorrichtung
11: Leistungsschalter
12: Steuerungseingang
13: Leistungsbeobachtungsvorrichtung
14: Schaltersteuerungsvorrichtung
18, 19: Anschlüsse
21: Messwiderstand
22: Vorverarbeitung
22a: Sample-and-Hold-Verstärker
22b: Durchschnittsbildung
23: Quadrierer und Integrierer
24: Mittelungsvorrichtung
25: Setzvorrichtung
26: Schwellenwertspeicher
27: Vergleichsvorrichtung
31, 34: Multiplizierer
32: Addierer
33: Register
35: Faktorsetzvorrichtung
41: Verknüpfungsglied
42: Treiberschaltung
50: Verbauort
51: Rechenwertordinate
52: Stromordinate
53: Stromverlauf
54: Rechenwertverlauf
55: Stromschwellenwert
56: Rechenwertschwellenwert
60: Verbraucherinstallation
61: Verbraucher
62: Benützerschalter
63: Stecker
64: Leitung
65: Steckdose
69: elektrisches Gerät
71: Kontakte
72: Anschlüsse
73: verbaute Leistungsschaltvorrichtung
74: Empfänger

Claims

Steuerbare Leistungsschaltvorrichtung (10) mit einem Leistungsschalter (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i), einem Steuerungseingang (12) zum Empfangen eines Steuerungsbefehls (Sb) und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals (Rss) nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, einer Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) zum Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf der Leistungsversorgungsleitung (2i) und zum Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, einer Schaltersteuerungsvorrichtung (14) zur Steuerung des Leistungsschalters (11) mit einem Schaltersteuerungssignal (Sss) nach Maßgabe des Regelschaltsignals (Rss) und des Überwachungsschaltsignals (Uess).
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Strommessvorrichtung (21, 22) aufweist zum Messen eines in der Leistungsversorgungsleitung (2i) fließenden Stroms und zum Erzeugen eines Stromsignals (Im) nach Maßgabe des Messergebnisses, wobei das Stromsignal (Im) ein Mittelwert mehrerer Strommessergebnisse sein kann und zur Ermittlung des Überwachungsschaltsignals (Uess) herangezogen wird.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Quadrier- und Integriereinrrichtung (23) aufweist zum Quadrieren des Stromsignals (Im) und Integrieren der Quadrate, wobei das Integrierergebnis als Leistungseffektivwertsignal (lm2) zur Ermittlung des Überwachungsschaltsignals (Uess) herangezogen wird.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Mittelungsvorrichtung (24) aufweist, die ein aktuelles Überwachungssignal (Uesa) aus dem jeweils jüngsten Leistungseffektivwertsignal (lm2) nach folgender Formel berechnet: $Uesa = k * lm 2 + (1 - k * Uesv)$
wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal, Uesv das vorherige Überwachungssignal, lm2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal (lm2) und kein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen jeweils ausschließlich 0 und 1 sind, und wobei die Leistungsbeobachtungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des aktuellen Überwachungssignals (Uesa) zu bestimmen, insbesondere anhand eines Schwellenwertvergleichs.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 4, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Faktorsetzvorrichtung (35) aufweist, die den Gewichtungsfaktor k setzt, insbesondere derart, dass er auf einen vorbestimmten ersten Faktorwert gesetzt wird, wenn das aktuelle Leistungseffektivwertsignal (lm2) größer als das aktuelle Überwachungssignal (Uesa) ist, und andernfalls auf einen anderen vorbestimmten zweiten Faktorwert, der kleiner als der erste Faktorwert sein kann.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Vergleichsvorrichtung (27) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignal (Uess) nach Maßgabe des Vergleichs des aktuellen Überwachungssignals (Uesa) mit einem Schwellenwert (Sw 26) zu erzeugen.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 6, bei der die Schaltersteuerungsvorrichtung (14) eine Schwellenwerterzeugungseinrichtung aufweist zum Erzeugen des Schwellenwerts nach Maßgabe eines vorab eingegebenen und gespeicherten Parameters, insbesondere eines Widerstands in der Leistungsschaltvorrichtung (10).
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, mit einer Setzeinrichtung (25) zum Eingeben oder Bestimmen und Speichern der Abtastfrequenz der Strommessvorrichtung (21, 22), wobei die Strommessvorrichtung (21, 22) dazu ausgelegt ist, den in der Leistungsversorgungsleitung (2i) fließenden Strom entsprechend der gesetzten Abtastfrequenz zur Messung abzutasten und ggf. aus mehreren Abtastwerten einen Mittelwert zu bilden, um das Stromsignals (Im) zu bilden.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, mit einem A/D-Wandler bei der Strommessvorrichtung (21, 22) zur A/D-Wandlung des Strommesswerts, und mit einer digital arbeitenden Schaltung zur digitalen Weiterverarbeitung der digitalen Ausgabe des A/D-Wandlers.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, wobei die Strommessvorrichtung (21, 22) einen seriellen Messwiderstand oder einen induktiven Abgriff oder einen Hall-Sensor aufweist.
Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, bei der der Leistungsschalter (11) ein Relais oder einen Leistungstransistor aufweist und die Schaltersteuerungsvorrichtung (14) eine Treiberschaltung für das Relais oder den Leistungstransistor aufweist, die dazu ausgelegt ist, nach Maßgabe des Schaltersteuerungssignals ein Relaisansteuersignal oder Transistoransteuersignal zu erzeugen.
Steckdose mit einem Versorgungsanschluss für den Anschluss an eine Leistungsversorgungsleitung (2i), Steckkontakten für das Einstecken eines Steckers eines Verbrauchers, und zwischen dem Versorgungsanschluss und wenigstens einem der den Steckkontakte eine Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verbraucherinstallation (60), mit einem elektrischen Verbraucher (61), einem Anschluss (63) an ein Netz (1, L, N) elektrischer Leistung, zwischen dem elektrischen Verbraucher (61) und dem Anschluss (63) einem Benützerschalter (62) zum Schalten elektrischer Leistung für den Verbraucher (61), und zwischen dem elektrischen Verbraucher (61) und dem Anschluss (63) einer Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Leistungsschaltverfahren (10) mit den Schritten Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf einer Leistungsversorgungsleitung (2i) mit einem Leistungsschalters (11) darin und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und Ansteuern des Leistungsschalters (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i) nach Maßgabe des Überwachungsschaltsignals (Uess).
Leistungsschaltverfahren (10) nach Anspruch 13, bei dem das Ansteuern des Leistungsschalters (11) nach Maßgabe eines Kennwerts des Leistungsschalters erfolgt, insbesondere seines Innenwiderstands.
Leistungsschaltverfahren (10) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Ansteuern des Leistungsschalters (11) auch nach Maßgabe eines weiteren Kriteriums erfolgt.