DE19754771A1

DE19754771A1 - Electronic overcurrent trip with microprocessor device

Info

Publication number: DE19754771A1
Application number: DE1997154771
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl Ing Hochgraef; Ulrich Baumgaertl; Wolfgang Dipl Ing Roehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 1999-06-02

Abstract

The overcurrent trip includes a control unit (25) which adjusts the clock frequency of a microprocessor unit (18). The control unit has a signal input (27) for the auxiliary energy emitted from a mains transformer (11,12,13) and a signal output (30) for achieving allocation of the clock frequency to the auxiliary energy level. Preferably, the control unit includes a frequency divider (23) a comparator (26) which has the signal input, a reference input (28) and the signal output for comparing an input signal which is dependent on the level of the auxiliary energy with a threshold fed to the reference input. The output signals are assigned gradually to the threshold in that manner that the frequency divider converts the constant frequency provided by an oscillator (22) into higher or lower frequencies for the microprocessor operation.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Überstromauslöser mit einer Mikroprozessoreinrichtung zur Verarbeitung von Meßwerten eines zu überwachenden Stromes wenigstens einer Phase eines Wechselstromnetzes, wobei zur Bereitstellung der Meßwerte sowie zur Bereitstellung einer zum Betrieb der Mikroprozessoreinrichtung dienenden Hilfsenergie ein Strom wandler vorgesehen ist und wobei ferner ein Taktgenerator zur Abgabe von Taktsignalen zur Steuerung der Mikroprozessor einrichtung mit einer vorgegebenen Taktfrequenz vorhanden ist.The invention relates to an electronic overcurrent release with a microprocessor device for processing Measured values of a current to be monitored at least one Phase of an AC network, being used to provide the Measured values and to provide one for the operation of the Microprocessor device serving auxiliary energy a current converter is provided and also a clock generator for Delivery of clock signals to control the microprocessor device with a predetermined clock frequency available is.

Ein Überstromauslöser dieser Art ist beispielsweise durch die DE 44 45 060 C1 bekanntgeworden. Das Anwendungsgebiet solcher Überstromauslöser sind insbesondere Niederspannungs- Leistungsschalter, wie sie in Anlagen der Energieverteilung in Versorgungsnetzen und industriellen Anlagen in großem Umfang eingesetzt werden. Die Überstromauslöser sind an die Bauform und die Betriebsweise der Leistungsschalter sorg fältig angepaßt. Der zur Unterbringung der Überstromauslöser verfügbare Anteil am gesamten Volumen eines Leistungs schalters ist beschränkt, was eine konzentrierte Anordnung der elektronischen Bauteile erfordert. Diese Konzentration wird dadurch erleichtert, daß die verfügbaren Mikroprozessor einrichtungen eine Vielzahl von Funktionen ausführen können, zu denen neben der eigentlichen Schutzfunktion auch die Signalisierung von Betriebszuständen und die Fernübertragung wichtiger Meldungen gehören kann.An overcurrent release of this type is, for example, by the DE 44 45 060 C1 has become known. The field of application of such Overcurrent releases are particularly low voltage Circuit breakers as used in power distribution systems in supply networks and industrial plants in large Scope used. The overcurrent releases are on the Design and mode of operation of the circuit breakers well adapted. The one to accommodate the overcurrent release available share of the total volume of a service switch is limited, which is a concentrated arrangement which requires electronic components. This concentration is facilitated by the fact that the available microprocessor facilities can perform a variety of functions, to which in addition to the actual protective function Signaling of operating conditions and remote transmission important messages.

Die gestiegenen Anforderungen an die Funktionen elektronischer Überstromauslöser haben dazu geführt, daß zunehmend Mikroprozessoren mit höherer Taktfrequenz eingesetzt werden, als dies zuvor üblich war. Auf diese Weise kann der Überstromauslöser wichtige Funktionen schneller als bisher ausführen und nach Ergänzung um nur wenige Bauelemente weitere nützliche Funktionen erfüllen. Mit einer höheren Taktfrequenz eines Mikroprozessors ist jedoch auch ein höherer Bedarf an Hilfsenergie und eine stärkere Erwärmung verbunden. Beide Einflüsse bereiten erhebliche Probleme. Einerseits ist es nämlich schwierig, bei dem erwähnten nur geringen möglichen Bauvolumen eines elektronischen Überstromauslösers zusätzliche Verlustwärme abzuführen. Andererseits belastet der erhöhte Energiebedarf einer mit hoher Taktfrequenz arbeitenden Mikroprozessoreinrichtung den Stromwandler, der gleichfalls in dem vorgegebenen Bauvolumen eines Leistungsschalters untergebracht ist und daher praktisch nicht vergrößert werden kann, ohne die vorgegebenen Gesamtabmessungen des Leistungsschalters zu verändern.The increased demands on the functions electronic overcurrent releases have resulted in increasingly microprocessors with a higher clock frequency be used than was previously the case. In this way the overcurrent release can perform important functions faster than so far and after adding only a few components perform other useful functions. With a higher one However, a microprocessor's clock frequency is also a higher demand for auxiliary energy and more warming connected. Both influences pose considerable problems. On the one hand, it is difficult, only with the mentioned low possible volume of an electronic Overcurrent release to dissipate additional heat loss. On the other hand, the increased energy requirements burden one high clock frequency working microprocessor device Current transformer, which is also in the specified volume a circuit breaker is housed and therefore practically cannot be enlarged without the given To change the overall dimensions of the circuit breaker.

Der Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, den Energiebedarf eines elektronischen Überstromauslösers ohne Nachteile für die Schutzwirkung und die Vielseitigkeit der Funktionen zu verringern.Proceeding from this, the invention is based on the object the energy requirements of an electronic overcurrent release without disadvantages for the protective effect and versatility of functions to decrease.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Steuereinrichtung zur Veränderung der Taktfrequenz der an die Mikroprozessoreinrichtung abzugebenden Taktsignale vorgesehen ist und daß die Steuereinrichtung einen Signal eingang für die Größe der von dem Stromwandler abgegebenen Hilfsenergie sowie einen Signalausgang zur Erzielung einer gleichsinnigen Zuordnung der Höhe der Taktfrequenz zur Höhe der Hilfsenergie besitzt.According to the invention, this object is achieved in that a control device for changing the clock frequency clock signals to be output to the microprocessor device is provided and that the control device receives a signal input for the size of the output from the current transformer Auxiliary energy and a signal output to achieve a Assignment of the clock frequency to the height in the same direction who has auxiliary energy.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß der Energie bedarf einer Mikroprozessoreinrichtung und damit auch ihre Erwärmung von der Taktfrequenz direkt abhängt und daß nicht ständig ein Betrieb mit höchster Taktfrequenz erforderlich ist, um die jeweiligen Aufgaben zu erfüllen. Die höchste Taktfrequenz und damit die größte Geschwindigkeit bei der Verarbeitung von Meßwerten und der Ausgabe von Steuerbefehlen wird nur dann benötigt, wenn sehr hohe Überströme oder ein Kurzschlußstrom auftreten, die eine nur minimal verzögerte oder eine sofortige Reaktion des Überstromauslösers erfordern. Durch die gleichsinnige Zuordnung der Taktfrequenz zur Höhe der Hilfsenergie wird erreicht, daß die Mikro prozessoreinrichtung mit der höchsten verfügbaren Leistung nur dann betrieben wird, wenn dies für den Schutz eines Verbrauchers oder einer Anlage erforderlich ist. Besteht dagegen nur ein geringer Überstrom, so braucht die Auslösung nicht innerhalb von Millisekunden, sondern erst nach vollen Sekunden oder Minuten zu erfolgen. Die Abtastung des zu überwachenden Stromes kann daher mit geringerer Häufigkeit erfolgen, wofür eine erheblich geringere Taktfrequenz der Mikroprozessoreinrichtung ausreichend ist. Dementsprechend sind die Erwärmung der Überstromauslösers sowie die Beanspruchung des Stromwandlers und der zur Bereitstellung der Hilfsenergie benötigten Schaltungsteile geringer. The invention is based on the consideration that energy requires a microprocessor device and thus yours Warming depends directly on the clock frequency and that not continuous operation at the highest clock frequency is required is to perform the respective tasks. The highest Clock frequency and thus the greatest speed at the Processing of measured values and the output of control commands is only required if very high overcurrents or a Short-circuit current occur, which is only a minimal delay or an immediate response from the overcurrent release require. By assigning the clock frequency in the same direction to the level of auxiliary energy is achieved that the micro processor device with the highest available power is only operated if this is for the protection of a Consumer or an installation is required. Consists however, only a small overcurrent needs tripping not within milliseconds, but only after full Seconds or minutes. The sampling of the Monitoring current can therefore be less frequent take place, for which a significantly lower clock frequency Microprocessor device is sufficient. Accordingly are the heating of the overcurrent release as well as the Stress on the current transformer and on the provision the circuit parts required less.

Die erwähnte Steuereinrichtung kann einen Komparator mit einem Signaleingang, einem Referenzeingang und einem Signalausgang zum Vergleich eines von der Höhe der Hilfsenergie abhängigen Eingangssignales mit am Referenz eingang anliegenden Schwellwerten sowie einen Frequenzteiler umfassen, wobei am Signalausgang erscheinende Ausgangssignale in der Weise den Schwellwerten abgestuft zugeordnet sind, daß der Frequenzteiler eine von einem Oszillator bereitgestellte konstante Frequenz zum Betrieb der Mikroprozessoreinrichtung entsprechend abgestuft in eine höhere bzw. niedrige Takt frequenz umsetzt. Von dem gewünschten Maß der Verringerung von Energiebedarf und Erwärmung hängt es ab, ob durch Vorgabe einer geringeren oder einer größeren Anzahl von Schwellwerten eine grobe oder feine Anpassung der Taktfrequenz an die Energieabgabe des Stromwandlers erfolgt.The control device mentioned can have a comparator a signal input, a reference input and one Signal output to compare one from the amount of Auxiliary power dependent input signals with at the reference thresholds and a frequency divider comprise, output signals appearing at the signal output are assigned to the threshold values in such a way that the frequency divider is one provided by an oscillator constant frequency for operating the microprocessor device correspondingly graduated in a higher or lower cycle frequency implemented. From the desired level of reduction it depends on energy demand and warming whether by default a lower or a greater number of threshold values a rough or fine adjustment of the clock frequency to the Energy output from the current transformer takes place.

Zu den Aufgaben der Mikroprozessoreinrichtung innerhalb des Überstromauslösers können Vorgänge gehören, die sich an der Zeit orientieren bzw. einen vorgegebenen zeitlichen Ablauf einhalten müssen. Diese Bedingung kann auch bei einem Betrieb der Mikroprozessoreinrichtung mit veränderlicher Taktfrequenz dadurch erreicht werden, daß die von dem Komparator erzeugten Ausgangssignale der Mikroprozessoreinrichtung zwecks An passung eines bei der Verarbeitung der Meßwerte zu berück sichtigenden Maßstabsfaktors an die jeweilige Taktfrequenz zuführbar sind.The tasks of the microprocessor device within the Overcurrent release can include operations that occur at the Orientate time or a predetermined time sequence must adhere to. This condition can also apply to an operation the microprocessor device with variable clock frequency can be achieved in that the generated by the comparator Output signals of the microprocessor device for the purpose of on fit one when processing the measured values visible scale factor to the respective clock frequency are feedable.

Zur Betätigung der erwähnten Steuereinrichtung ist es nicht erforderlich, die von dem Stromwandler bereitgestellte Hilfsenergie unmittelbar als Leistungsgröße zu erfassen. Vielmehr erweist es sich als ausreichend, an den Signal eingang der Steuereinrichtung eine Rohgleichspannung einer mit dem Stromwandler verbundenen Gleichrichterbrücken schaltung anzulegen. Eine solche Gleichrichterbrücken schaltung wird in bekannter Weise in elektronischen Über stromauslösern zur Umwandlung der Ausgangsgröße von Strom wandlern in eine zur elektronischen Weiterverarbeitung geeignete Form benutzt.It is not for actuating the control device mentioned required that provided by the current transformer Capture auxiliary energy directly as a performance variable. Rather, it turns out to be sufficient on the signal input of the control device a raw DC voltage rectifier bridges connected to the current transformer circuit. Such a rectifier bridges circuit is known in electronic over current triggers for converting the output quantity of current convert to electronic processing suitable form used.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Figur gezeigten Prinzipschaltbildes näher erläutert.The invention is based on the in the figure block diagram shown explained in more detail.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Figur gehört zu einem Niederspannungs-Leistungsschalter, der als Ganzes bekannt und daher nicht näher dargestellt ist. Gezeigt sind jedoch Haupt strombahnen 1, 2 und 3 mit Schaltkontakten 4, 5 und 6. Angedeutet sind ferner eine Antriebsvorrichtung 7 zur Betätigung der Schaltkontakte 4, 5 und 6 sowie ein zur Aufrechterhaltung der geschlossenen Stellung der Schaltkontakte 4, 5, 6 dienendes Schaltschloß 8, das durch einen Auslösemagnet 10 freigebbar ist.The circuit arrangement according to the figure belongs to a low-voltage circuit breaker, which is known as a whole and is therefore not shown in detail. However, main current paths 1 , 2 and 3 with switching contacts 4 , 5 and 6 are shown . Also indicated are a drive device 7 for actuating the switch contacts 4 , 5 and 6 and a switch lock 8 which is used to maintain the closed position of the switch contacts 4 , 5 , 6 and which can be released by a release magnet 10 .

Den Leitern 1, 2 und 3 der Hauptstrombahn des Leistungs schalters ist jeweils ein Stromwandler 11, 12 bzw. 13 zugeordnet. Jeder dieser Stromwandler speist eine Gleich richterbrückenschaltung 14, 15 bzw. 16, die parallel geschaltet sind und gemeinsam einen Kondensator 17 aufladen. Die Stromwandler 11, 12 und 13 stellen somit sowohl ein von dem in den Leitern 1, 2 und 3 der Hauptstrombahn des Leistungsschalters fließenden Strom abhängiges Signal als auch eine Hilfsenergie zum Betrieb einer Mikroprozessor einrichtung 18 zur Verfügung. Die Mikroprozessoreinrichtung 18 dient in bekannter Weise dazu, einen Schaltbefehl zur Betätigung des Auslösemagneten 10 abzugeben. Auf die Erzeugung dieses Schaltbefehles in Abhängigkeit von dem Strom in den Leitern 1, 2 und 3 in Abhängigkeit von vorgegebenen Kennlinien wird nicht näher eingegangen, da dies allgemein bekannt ist und daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Darlegung bedarf.The conductors 1 , 2 and 3 of the main circuit of the circuit breaker are each assigned a current transformer 11 , 12 and 13 , respectively. Each of these current transformers feeds a rectifier bridge circuit 14 , 15 and 16 , which are connected in parallel and together charge a capacitor 17 . The current transformers 11 , 12 and 13 thus provide both a signal dependent on the current flowing in the conductors 1 , 2 and 3 of the main current path of the circuit breaker and also an auxiliary energy for operating a microprocessor device 18 . The microprocessor device 18 is used in a known manner to issue a switching command for actuating the release magnet 10 . The generation of this switching command as a function of the current in the conductors 1 , 2 and 3 as a function of predefined characteristic curves is not dealt with in detail, since this is generally known and therefore does not require any further explanation in the present context.

Der in den Leitern 1, 2 und 3 fließende Strom und damit die an den Gleichrichterbrückenschaltungen 14, 15 und 16 abnehmbare Hilfsenergie schwankt in weiten Grenzen. Da eine ordnungsgemäße Arbeitsweise der Mikroprozessoreinrichtung 18 eine geregelte Stromversorgung erfordert, ist ein geregeltes Schaltnetzteil 20 vorgesehen.The current flowing in the conductors 1 , 2 and 3 and thus the auxiliary energy which can be removed from the rectifier bridge circuits 14 , 15 and 16 fluctuate within wide limits. Since the proper functioning of the microprocessor device 18 requires a regulated power supply, a regulated switching power supply 20 is provided.

Der Mikroprozessoreinrichtung 18 ist ein Taktgenerator 21 zugeordnet, der einen Oszillator 22 sowie einen Frequenz teiler 23 enthält. Der Frequenzteiler 23 besitzt einen Steuereingang 24, der es erlaubt, daß Teilerverhältnis zu beeinflussen und damit Taktsignale mit einer veränderlichen Frequenz zum Betrieb der Mikroprozessoreinrichtung 18 bereitzustellen. Diese werden der Mikroprozessoreinrichtung 18 an einem Takteingang 24 zugeführt. Zur Veränderung der Taktfrequenz der Mikroprozessoreinrichtung 18 dient eine Steuereinrichtung 25, zu der ein Komparator 26 sowie der schon erwähnte Frequenzteiler 23 gehören. Dem Komparator 26 wird an einem Signaleingang 27 die an den Gleichrichter brückenschaltungen 14, 15 und 16 anliegende Rohgleichspannung als Maß für die Größe der zur Verfügung stehenden Hilfs energie zugeführt. Ferner verarbeitet der Komparator 26 eine Anzahl von Referenzspannungen, die an einem Referenzeingang 28 angelegt sind. An einem Signalausgang 30 gibt der Komparator 26 ein Ausgangssignal zur Beeinflussung des Frequenzteilers 23 ab. Dieses Ausgangssignal steuert den Frequenzteiler 23 in der Weise, daß eine hohe Taktfrequenz bzw. die höchste für die Mikroprozessoreinrichtung 18 vorgesehene Taktfrequenz abgegeben wird, wenn das Angebot an Hilfsenergie groß ist und eine niedrige bzw. die niedrigste für die Mikroprozessoreinrichtung 18 geeignete Taktfrequenz erzeugt wird, wenn die Ströme in den Leitern 1, 2 und 3 normale betriebliche Werte aufweisen. In diesem Fall sind Energiebedarf und Erwärmung der Mikroprozessoreinrichtung 18 gering. Nur dann, wenn eine rasche Reaktion des Überstrom auslösers benötigt wird, um durch die Betätigung des Auslösemagneten 10 das Schaltschloß 18 zu entklinken und die Schaltkontakte 4, 5 und 6 zu öffnen, wird die Arbeitsge schwindigkeit der Mikroprozessoreinrichtung 18 angemessen erhöht bzw. auf den größtmöglichen Wert gebracht.The microprocessor device 18 is assigned a clock generator 21 , which contains an oscillator 22 and a frequency divider 23 . The frequency divider 23 has a control input 24 which makes it possible to influence the divider ratio and thus to provide clock signals with a variable frequency for operating the microprocessor device 18 . These are fed to the microprocessor device 18 at a clock input 24 . A control device 25 , which includes a comparator 26 and the frequency divider 23 already mentioned, is used to change the clock frequency of the microprocessor device 18 . The comparator 26 is fed to a signal input 27, the applied to the rectifier bridge circuits 14 , 15 and 16 raw DC voltage as a measure of the size of the available auxiliary energy. The comparator 26 also processes a number of reference voltages which are applied to a reference input 28 . At a signal output 30 , the comparator 26 outputs an output signal for influencing the frequency divider 23 . This output signal controls the frequency divider 23 in such a way that a high clock frequency or the highest clock frequency provided for the microprocessor device 18 is emitted if the supply of auxiliary energy is large and a low or the lowest clock frequency suitable for the microprocessor device 18 is generated, when the currents in conductors 1 , 2 and 3 have normal operating values. In this case, the energy requirement and heating of the microprocessor device 18 are low. Only when a rapid response of the overcurrent trigger needed to unlatching by the actuation of the trigger magnet 10, the switching mechanism 18 and the switching contacts 4 to open 5 and 6, the Arbeitsge speed of the microprocessor means 18 appropriately increased or maximum on the Brought value.

Zahlreiche Funktionen der Mikroprozessoreinrichtung müssen einen Bezug zur Zeit berücksichtigen. Um eine nachträgliche Umrechnung durch eine Hilfsschaltung oder durch einen Benutzer zu vermeiden, werden die von dem Komparator 26 erzeugten Ausgangssignale der Mikroprozessoreinrichtung 18 zwecks Anpassung eines bei der Verarbeitung der Meßwerte zu berücksichtigenden Maßstabsfaktors an die jeweilige Taktfrequenz zugeführt. Dies geschieht durch eine direkte Zuführung des Ausgangssignales des Signalausganges 30 an einem Maßstabseingang 31.Numerous functions of the microprocessor device must take into account a reference to the time. In order to avoid subsequent conversion by an auxiliary circuit or by a user, the output signals generated by the comparator 26 are fed to the microprocessor device 18 for the purpose of adapting a scale factor to be taken into account when processing the measured values to the respective clock frequency. This is done by feeding the output signal of the signal output 30 directly to a scale input 31 .

Claims

1. Electronic overcurrent release with a microprocessor device ( 18 ) for processing measured values of a current to be monitored at least one phase of an alternating current network, with a current transformer ( 11 , 12 ,) for providing the measured values and for providing auxiliary energy for operating the micro processor device ( 18 ). 13 ) is provided and there is also a clock generator ( 21 ) for emitting clock signals for controlling the microprocessor device ( 18 ) with a predetermined clock frequency, characterized in that a control device ( 25 ) for changing the clock frequency of the microprocessor device ( 18 ) clock signals to be emitted is provided and that the control device ( 25 ) has a signal input ( 27 ) for the magnitude of the auxiliary energy emitted by the current transformer ( 11 , 12 , 13 ) and a signal output ( 30 ) to achieve a correlation of the clock frequency with the height who has auxiliary energy.

2. Overcurrent release according to claim 1, characterized in that the control device ( 25 ) has a comparator ( 26 ) with a signal input ( 27 ), a reference input ( 28 ) and a signal output ( 30 ) for comparing an input signal which is dependent on the level of the auxiliary power threshold values present at the reference input ( 28 ) and a frequency divider ( 23 ) and that output signals appearing at the signal output ( 30 ) are assigned to the threshold values in such a way that the frequency divider ( 23 ) has a constant frequency provided by an oscillator ( 22 ) Operation of the microprocessor device ( 18 ) converted accordingly in a higher or lower clock frequency.

3. Overcurrent release according to Claim 2, characterized in that the output signals of the microprocessor device ( 18 ) generated by the comparator ( 26 ) can be fed to the respective clock frequency for the purpose of adapting a scale factor to be taken into account when processing the measured values.

4. Overcurrent release according to one of the preceding claims, characterized in that a raw DC voltage of a rectifier bridge circuit ( 14 , 15 , 16 ) connected to the current transformer ( 11 , 12 , 13 ) is applied to the signal input ( 27 ) of the control device ( 25 ).