DE19635158A1 - Elektronische Auslöseeinheit für Schaltkreisunterbrecher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Auslöseeinheit wie Motorschutzrelais oder dergleichen für Schaltkreisunterbrecher wie Schütze oder dergleichen, wobei die Auslöseeinheit mindestens eine Stromerfassungseinheit zum Erfassen, Messen, Gleichrichten, Verstärken und Analog-Digital-Umwandeln der Verbraucher-Stromwerte sowie Auslösemittel zur Auslösung des Schaltkreisunterbrechers aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektronischen Auslöseeinheit.

Es sind bereits Schaltkreisunterbrecher mit elektronischen Auslöseeinrichtungen bekannt.

Die DE 38 05 948 A1 beschreibt einen Überstromschalter mit elektronischer Auslösung, der ein stromintensives kurzzeitiges Einschalten von elektrischen Verbrauchern ohne auszulösen zuläßt und im Normalbetrieb, bei auftretenden Überlastungen auslöst. Diese Auslöseeinheit besteht im wesentlichen aus einem Zeitgeber, einem Lastdetektor mit Überstromsteuervorrichtung und einer Verstärkereinheit, wobei der Zeitgeber eine bestimmte Zeit nach dem Einschaltvorgang ein erstes Steuersignal erzeugt und der Lastdetektor mittels der Überstromsteuervorrichtung bei Überschreiten einer bestimmten Last ein zweites Signal erzeugt, beide Signale gemeinsam dem Verstärker aktivieren und dieser dann ein weiteres Steuersignal für die Auslösung einer den Stromkreis unterbrechenden Relaiseinrichtung erzeugt.

Weiterhin ist aus der EP 0 298 445 B1 ein Leistungsschalter mit elektronischer Auslösung bekannt, der bei Auslösevorgängen mit längerer Verzugszeit die Auslösezeit verkürzt, falls über eine längere Zeitdauer zuvor der tatsächliche Stromfluß gleich dem Nennstrom war und diesen dann übersteigt. Diese Funktionsweise wird durch eine elektronische Auslöseeinheit realisiert, die im wesentlichen aus einem Spannungsregler mit nachgeschaltetem Differenzverstärker, einer Zeitgeberschaltung sowie einem Auslösemechanismus besteht. Die Zeitgeberschaltung weist dabei drei verschiedene Zeitauslösestufen auf. Eine erste Stufe ist die sofortige Auslösung, eine zweite Stufe die kurzzeitverzögerte und eine dritte Stufe die langzeitverzögerte Auslösung.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Auslösevorrichtungen für Leistungsschalter oder dergleichen ist von Nachteil, daß die Schaltvorrichtungen den jeweiligen Verbraucher einerseits nur an Hand von theoretischen Grenzwerten überwachen und andererseits den Verbraucher erst nach erfolgter Überlastung vom Netz trennen, so daß zumindest kurzzeitig ein eventuell nicht beabsichtigter Überlastungszustand auftritt oder der Verbraucher bei einem vielleicht nicht kritischen oder tolerierbaren Überlastzustand trotzdem abschaltet und so teure Stillstandszeiten verursacht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Auslösevorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Auslösevorrichtung für Schaltkreisunterbrecher anzugeben, die ein gezieltes, bewußtes Handeln des Bedienpersonals bei Überlastzuständen ermöglicht und ferner sich in ihrem Auslöseverhalten möglichst genau an den jeweiligen Verbraucher anpassen läßt.

Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß zum einen durch eine elektronische Auslöseeinheit gemäß Anspruch 1 und zum anderen durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Erfindungsgemäß weist die Auslösevorrichtung hierfür mindestens eine Auswerteeinheit und eine Speichereinheit auf derart, daß während der Inbetriebnahme eines, mit einem Schaltkreisunterbrecher mit einer erfindungsgemäßen Auslöseeinheit geschützten Verbrauchers, dieser einen vollständigen Betriebs- beziehungsweise Arbeitszyklus durchläuft, während dieses Zyklus in kleinsten zeitlichen Abständen Betriebsstromwerte erfaßt und ab gespeichert werden und an Hand dieser Betriebsstromwerte die Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik des Verbrauchers nachgebildet wird. Während dieses ersten Arbeitszyklus wird der Verbraucher in herkömmlicher Weise mittels voreingestellter Strom-Grenzwerte geschützt. In allen weiteren Arbeitszyklen wird der Verbraucher zusätzlich oder ausschließlich durch den ständigen Vergleich der Strom-Momentanwerte mit den Stromwerten der im ersten Arbeitszyklus aufgenommenen Stromcharakteristik verglichen und bei entsprechender Abweichung der Momentanwerte von den Stromcharakteristikwerten eine Warnung abgegeben oder der Schaltkreisunterbrecher ausgelöst. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ermöglicht vorteilhafterweise, insbesondere bei sehr komplexen und teuren Prozeßanlagen und Fertigungsstraßen, elektrische Verbraucher wie Antriebsmotoren oder dergleichen einerseits wirkungsvoll zu schützen und andererseits gezielt zu überwachen derart, daß gegebenenfalls auch bewußte Überlastungen des Antriebsmotors in Kauf genommen werden, um so einen Fertigungsprozeß in Gang zu halten. So können einerseits teure Stillstandszeiten vermieden und andererseits Überlastdaten zwecks Wartungsintervallen abgespeichert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung enthalten. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Auslöseeinheit in schematischer Darstellung,

Fig. 2a und Fig. 2b die Erwärmungs- beziehungsweise Stromcharakteristik [T(t); I(t)] eines elektrischen Motors an Hand einer errechneten und einer gemessenen Kennlinie, und

Fig. 3 die Auslöse- beziehungsweise Überlastkennlinien (Auslösezeit (t) in Abhängigkeit vom n-fach überschrittenen Betriebsstrom (n x I_nenn) eines Schaltkreisunterbrechers mit herkömmlicher Auslösecharakteristik und mit Auslösecharakteristik der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit.

Die Fig. 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Auslöseeinheit eines Schaltkreisunterbrechers in schematischer Darstellung. Die erfindungsgemäße Auslöseeinheit weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Stromerfassungseinheit 2 mit drei Stromsensoren 4, eine der Stromerfassungseinheit 2 angeschlossene Auswerteeinheit 6, eine Speichereinheit 8, eine separate Energieversorgung 10, eine Schnittstelle 12 und Auslösemittel 14 auf.

Die Stromsensoren 4 können zum Beispiel in Form von Stromwandlern oder dergleichen ausgeführt sein, wobei diese der Erfassung der, einen elektrischen Verbraucher versorgenden, Speiseströme und gegebenenfalls der Energieversorgung des Schaltkreisunterbrechers beziehungsweise deren Auslöseeinheit dienen. Die weiteren Komponenten der Stromerfassungseinheit 2 dienen ferner zum Messen, Verstärken und Gleichrichten, sowie zum Wandeln der erfaßten Signale von analogen in digitalisierte Werte. Zur weiteren Verarbeitung dieser Signale ist die Auswerteeinheit 6 in Form eines Mikroprozessors oder dergleichen vorgesehen. Die Auswerteeinheit 6 kann in Zusammenarbeit mit der Speichereinheit 8 in verschiedenen Modi arbeiten. Ein erster Modus ist der Schreibmodus, in dem über die Auswerteeinheit 6 in kürzesten Zeitabständen einzelne von der Stromerfassungseinheit 2 gelieferte Signale weiterverarbeitet und in der Speichereinheit 8 abgelegt werden derart, daß eine dem jeweiligen Verbraucher entsprechende Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik gebildet und ab gespeichert wird. In einem weiteren Modus, dem Arbeitsmodus wird an Hand der dem Betriebsverhalten des Verbrauchers genauestens entsprechenden, in der Speichereinheit 8 abgelegten Charakteristik, durch Vergleich der Momentan-Stromwerte mit den ab gespeicherten Werten der Stromcharakteristik, der Verbraucher präzise überwacht und somit wirkungsvoll geschützt.

Es ist denkbar, daß die beiden Modi automatisch oder aber durch ein separates Auswahlmittel aktiviert werden. Bei einer automatischen Modusumschaltung kann der Schreibmodus zur Erfassung der Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik eines vollständigen Betriebszyklus des Verbrauchers zum Beispiel automatisch bei jeder oder jeder n-ten Inbetriebnahme des Verbrauchers aktiviert werden. Eine manuelle Modusumschaltung kann durch separate hard- oder softwaremäßige Auswahlmittel erfolgen. Hardware-Auswahlmittel können z. B. in Form mechanischen, elektrischen oder elektronischen Schaltern ausgebildet sein. Software-Auswahlmittel werden programmtechnisch realisiert, so daß beispielsweise über einen Programmbefehl eine Umschaltung von dem einen in den anderen Modus erfolgt.

Die Auslösemittel 14 sind insbesondere als elektromagnetische Hilfsschalter oder elektronische Schaltmittel wie Halbleiterschalter ausgebildet. Diese Auslösemittel 14 dienen dann zur mittel- oder unmittelbaren Auslösung eines Schaltkreisunterbrechers. So kann die Trennung des Verbrauchers einmal direkt, über in die Stromversorgungsleitungen geschaltete Schaltkontakte eines Schützes, oder indirekt über Hilfskontakte eines kleineren Schützes zum ansteuern eines weiteren, größeren Schützes erfolgen. An Stelle der Schütze können als Auslösemittel 14 auch Halbleiterschalter wie Transistoren oder dergleichen Verwendung finden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Auslöseeinheit noch die separate Energieversorgungseinheit 10 auf. So ist insbesondere die Speichereinheit 8, die beispielsweise als EEPROM ausgebildet sein kann, unabhängig von der durch die Stromwandler erzeugten Versorgungsenergie. Dies hat den Vorteil, daß die in der Speichereinheit 8 abgelegten Daten, insbesondere die Strom- beziehungs­ weise Erwärmungscharakteristik des Verbrauchers, bei Abschalten der Versorgungsleitungen nicht verloren gehen und so falls gewünscht bei der nächsten Inbetriebnahme des Verbrauchers schon im ersten Arbeitszyklus des Verbrauchers zur Verfügung stehen.

Vorzugsweise weist die Auslöseeinheit auch noch die Schnittstelle 12 für den Datenaustausch mit anderen externen Geräten wie SPS, PC oder dergleichen auf.

In der Fig. 2a ist die Erwärmungscharakteristik [T(t)] eines elektrischen Verbrauchers am Beispiel eines elektrischen Motors dargestellt. Dabei stellt die Kurve K1, die an Hand voreingestellter Grenzwerte des Verbrauchers errechnete und die Kurve K2 die "gemessene", reale Erwärmungscharakteristik des angeschlossenen Verbrauchers dar. Die Fig. 2b zeigt in den Kurven K1′ und K2′ jeweils die entsprechende Stromcharakteristik. Die tatsächliche Erfassung der Charakteristik erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise über die Strommessung (Fig. 2b, Kurve K2′). Die Kurven K1, K2 und K1′, K2′ sind nach bekannten Verfahren ineinander umrechenbar, so daß auch eine tatsächliche Erfassung der Charakteristik über die Temperatur generell möglich ist.

Um eine Stromcharakteristik gemäß Fig. K2′ zu erhalten und sozusagen als Referenzabbild des Verbrauchers zu dessen Schutz verwenden zu können, findet ein Verfahren in mehreren Verfahrensschritten statt. In einem ersten Schritt werden nach Anlegen der Versorgungsenergie für den Verbraucher die voreingestellten Grenzwerte des Verbrauchers, wie Nennstrom, oberer und/oder unterer Grenzstrom, sowie geforderter Trägheitsgrad für das Auslöseverhalten über die Auswerteeinheit 6 in die Speichereinheit 8 ein gelesen. Im nächsten Schritt wird der Verbraucher in Betrieb genommen, der Schreibmodus der Auslöseeinheit aktiviert und die Strom- bezie­ hungsweise Erwärmungscharakteristik eines vollständigen Arbeitszyklus des Verbrauchers an Hand der gemessenen Betriebsstromwerte durch die Auswerteeinheit 6 nachgebildet und in der Speichereinheit 8 abgelegt. In den darauffolgenden Arbeitszyklen des Verbrauchers werden die gemessenen Momentan-Stromwerte beziehungsweise die umgerechneten Momentan-Erwärmungswerte mit den in der Speichereinheit 8 abgelegten Meß-Werten der Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik, vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt des Arbeitszyklus, verglichen. Eventuell differierende Werte werden erfaßt und gemeldet und führen dann gegebenenfalls zur Auslösung des Schaltkreisunterbrechers. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Verbraucher sowohl an Hand der voreingestellten Grenzwerte in herkömmlicher Art und Weise, als auch mittels der erstellten Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik überwacht. Alternativ kann auch eine Überwachung nur an Hand der voreingestellten Grenzwerte oder nur mittels erstellter Charakteristik stattfinden.

Die Fig. 3 zeigt die Überlast- beziehungsweise Auslösekennlinien eines Schaltkreisunterbrechers. Dabei zeigt die Kurve K1′′ zum Beispiel die Auslösecharakteristik eines herkömmlichen, auf bestimmte Grenzwerte eingestellten Schaltkreisunterbrechers und die Kurve K2′′ eine mögliche Charakteristik, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Auslöseeinheit, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wurde.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen.

Claims (10)

1. Elektronische Auslöseeinheit wie Motorschutzrelais oder dergleichen für Schaltkreisunterbrecher wie Schütz oder dergleichen, wobei die Auslöseeinheit mindestens eine Stromerfassungseinheit (2) zum Erfassen, Messen, Gleichrichten, Verstärken und Analog-Digital- Umwandeln der Verbraucher-Stromwerte, eine der Stromerfassungseinheit (2) angeschlossene Auswerteeinheit (6) zum Nachbilden der Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik [I(t), T(t)] eines elektrischen Verbrauchers, eine Speichereinheit (8) zum Abspeichern der voreinstellbaren Auslöseströme und der durch die Stromerfassungseinheit (2) erfaßten Verbraucher-Stromwerte für die Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik, sowie Auswahlmittel zum Unterscheiden zwischen einem Schreibmodus, in dem Daten in die Speichereinheit (8) eingeladen werden und einem Arbeitsmodus, in dem Daten aus der Speichereinheit (8) ausgelesen werden, und erste Auslösemittel (14) wie elektromagnetische Hilfsschalter oder elektronische Schaltmittel oder dergleichen zur mittelbaren oder unmittelbaren Auslösung des Schaltkreisunterbrechers aufweist.

2. Elektronische Auslöseeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit zweite Auswahlmittel zum Auswählen verschiedener Schutzmodi aufweist.

3. Elektronische Auslöseeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmittel hardwaremäßig in Form von mechanischen oder elektrischen Schaltern ausgebildet sind.

4. Elektronische Auslöseeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlmittel softwaremäßig ausgebildet sind und durch einen Befehl in Form eines elektrischen Signals aktiviert werden.

5. Elektronische Auslöseeinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit eine separate Energieversorgungseinheit (10) aufweist.

6. Elektronische Auslöseeinheit nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinheit eine Schnittstelle (12) für den Datenaustausch mit anderen externen Geräten aufweist.

7. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Auslöseeinheit nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) nach Anlegen der Versorgungsenergie werden die voreingestellten Grenzwerte des Verbrauchers, wie Nennstrom, oberer und/oder unterer Grenzstrom und geforderter Trägheitsgrad oder dergleichen in die Auswerteeinheit (6) eingelesen,
• b) der Verbraucher wird in Betrieb genommen, der Schreibmodus aktiviert und die Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik eines vollständigen Arbeitsablaufs des Verbrauchers wird an Hand der Meßwerte durch die Auswerteeinheit (6) nachgebildet und in der Speichereinheit (8) abgelegt,
• c) in den darauffolgenden Arbeitszyklen des Verbrauchers werden die gemessenen Momentan-Stromwerte beziehungsweise die umgerechneten Momentan-Erwärmungswerte mit den in der Speichereinheit (8) abgelegten Werten der Strom- bezie­ hungsweise Erwärmungscharakteristik zu jedem Zeitpunkt des Arbeitszyklus verglichen, abweichende Strom- bezie­ hungsweise Temperaturwerte erfaßt und der Verbraucher an Hand der erfaßten Werte überwacht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom in den Zyklen, in denen der Schreibmodus - zwecks Aufnahme der Strom­ beziehungsweise Erwärmungscharakteristik - aktiviert ist, an Hand der zuvor fest eingestellten Grenzwerte des Verbrauchers überwacht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom in den Zyklen, in denen der Arbeitsmodus aktiviert ist, an Hand der Strom- bezie­ hungsweise Erwärmungscharakteristik überwacht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherstrom in den Zyklen, in denen der Arbeitsmodus aktiviert ist, sowohl an Hand der voreingestellten Grenzwerte des Verbrauchers als auch an Hand der Strom- beziehungsweise Erwärmungscharakteristik überwacht wird.