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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schutzschalter mit einstellbarer
Auslöse-Charakteristik, insbesondere
zum Einsatz im Niederspannungsbereich, wie nach VDE 0641 Teil 11/EN
60898 oder VDE 0660 Teil 101/EN 60947-2.
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Eine
der wesentlichen Aufgaben von Niederspannungs-Schaltgeräten übernehmen
die Schutzschalter. Ihre Schutzorgane stellen u.U. gefahrbringende
Störungszustände, wie
z.B. Überlastungen,
Kurzschlüsse und
Spannungsabsenkungen, fest und führen
selbsttätige
Abschaltung der gefährdeten
Verbraucher oder Anlagenteile herbei.
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Bei
Schloßschaltern
sind diese Schutzorgane ein- oder angebaute Auslöser, die bei Über- oder
Unterschreitung vorgegebener elektrischer Größen die im Schalter gespeicherte
Energie über
das Schaltschloß mechanisch
freigeben. Auslöser
sind Bestandteile des Schalters.
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Auslöser und
Relais können
je nach Störungsart,
z.B. Überlast
oder Kurzschluß,
und Betriebsbedingungen, z.B. zeitselektive Staffelung von Leistungsschaltern,
verzögert
oder unverzögert
arbeiten. Meßauslöser und
-relais überwachen
eine elektrische Wirkungsgröße. Wichtigste
Geräte
dieser Gruppe sind thermische (Bimetall-) Überstromauslöser und
elektromagnetische Kurzschlußrelais
zum Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Überlastung (Stand: K. Johannsen,
AEG-Hilfsbuch 1, Grundlagen der Elektrotechnik, Hüthig Verlag,
Heidelberg).
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Die
Schutzschalter sollen allpolig ausschalten und mechanische oder
elektrische Freiauslösung
haben. Je nach Verwendungszweck wird u.a. unterschieden
- – Generator-
und Transformatorschutzschalter
- – Leitungsschutzschalter
- – Motorschutzschalter
- – Unterspannungsschalter
- – Fehlerspannungs-
und -stromschutzschalter.
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Für jede dieser
Schalterarten gelten vorgegebene Einstell- und Ansprechwerte der
Schutzglieder für Überstrom,
Unterstrom, Unterspannung oder Nullspannung.
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Die
im Leitungszug liegenden thermischen Überstromauslöser in Motorschutzschaltern,
Motorschutz-Leistungsschaltern oder Motorschutzrelais sind direkt
vom Motorstrom durchflossen und überwachen damit
den angeschlossenen Verbraucher. Bei erhöhter Stromaufnahme infolge Überlastung
oder Festbremsen wird der Auslöse- bzw. Ausschaltvorgang
so rechtzeitig eingeleitet, daß der
Motor vor unzulässiger
Erwärmung geschützt ist.
Die hohen, kurzzeitigen Anlaufströme des Motors werden wegen
der Trägheit
der Auslöser überbrückt.
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Die
thermischen Überstromauslöser bzw.
-relais sind meist temperaturkompensiert; der Einfluß der Umgebungstemperatur
auf die Auslösezeiten
wird weitgehend ausgeglichen. Überstromrelais
haben grundsätzlich
eine mechanische Sperre, die ein selbsttätiges Wiedereinschalten verhindert.
Die Wirkung dieser Wiedereinschaltsperre darf für besondere Antriebsfälle aufgehoben
werden.
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Thermische Überstromauslöser und
-relais von Motorschutzschaltern ohne magnetische Schnellauslöser werden
durch Vorschaltsicherungen gegen zu hohe Kurzschlußbeanspruchung
geschützt.
Bei Motorschutzschaltern mit magnetischer Schnellauslösung, Kurzschlußauslöser, sind
die thermischen Überstromauslöser bis
zu einer bestimmten Nennstromstufe völlig durch die Kurzschlußauslöser geschützt. Diese Schalter
können
bis zu beliebig hohen Kurzschlußströmen ohne
Vorsicherung eingesetzt werden (Stand: H. Franken, Niederspannungs-Leistungsschalter,
Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg).
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Bei
Kurzschlüssen
in Niederspannungsanlagen entwickeln sich im allgemeinen sehr hohe
Kurzschlußströme; der
Kurzschlußstrom
muß schnell
ausgeschaltet werden. Schutzschalter haben in jeder Strombahn einen
elektromagnetischen Kurzschlußauslöser und
schalten auch bei ein- oder mehrpoligen Kurzschlüssen immer allpolig aus. Der
Kurzschlußauslöser spricht
bei Überschreiten
des Ansprechwerts unverzögert
an, entklinkt das Schaltschloß und
der Schalter öffnet
nach Ablauf des Öffnungsverzugs.
Der Ansprechwert des Kurzschlußauslösers soll
höher sein
als die am Einbauort des Schalters im normalen Betrieb auftretenden
Stromspitzen. Je nach Verwendungszweck des Schalters können die
Grenzen des Ansprechwerts der Kurzschlußauslöser ein Vielfaches des Nennwerts
des thermischen Überstromauslösers betragen,
wie für
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Aus
dem Vorangestellten ergeben sich Auslöse-Charakteristika für Schutzschalter
derart, daß sich
der thermischen Langzeit-Charakteristik des thermischen Überstromauslösers eine
elektromagnetische Kurzzeit-Charakteristik des magnetischen Kurz schlußauslösers selektiv
anschließt
(nach Norm VDE 0641 Teil 11/EN 60898 und VDE 0660 Teil 101/EN 60947-2).
Auf die Anwendungsgebiete bezogen ergibt sich eine Kurvenschar von
parallel verlaufenden Auslöse-Charakteristika.
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Der
oben beschriebene Leitungsschutzschalter bestehend aus thermischem
(Bimetall-) Überstromauslöser mit
Langzeit-Charakteristik und elektromagnetischem (Magnetspule) Kurzschlußauslöser mit Kurzzeit-Charakteristik
wird in der Form, daß die
oder der Auslöser
das Schaltschloß verzögert oder
unverzögert
entklinken und der Schalter nach Ablauf des Öffnungsverzugs öffnet, als
klassische, elektromechanische Lösung
bezeichnet, welche im folgenden nicht weiter betrachtet wird. Als
typischer Vertreter einer solchen Ausprägung seien die Patentschriften
EP 1 130 615 A2 ,
DE 32 13 493 A1 ,
DE 35 45 930 A1 ,
DE 37 34 183 A1 ,
DE 41 18 377 C2 ,
DE 100 04 597 A1 und
DE 102 14 890 C1 aufgeführt.
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Weitere
Ausprägungsformen
von Schutzschaltern sind durch die Eigenschaft gegeben, daß die Auswertung
der Stromerfassung halb- oder elektronisch erfolgt.
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Gemäß Offenlegungsschrift
DE 196 36 975 A1 wird
ein Fehlerstromschutzschalter vorgestellt mit einem Summenstromwandler,
dessen Primärstromkreis
aus den Hinund Rückleitungen
des zu überwachenden Stromkreises
besteht und dessen Sekundärwicklung
mit einem Prüfschaltkreis,
bevorzugt als Mikroprozessor ausgebildet, verbunden ist, mit einer
elektromagnetischen Schaltvorrichtung zum Abschalten des zu überwachenden
Stromkreises bei Auftreten eines Fehlerstroms, wobei der Arbeitsstrom
der Haltevorrichtung von einem Schalter schaltbar ist, welcher von
dem Prüfschaltkreis
hierzu mit einem Steuersignal beaufschlagt wird und mit einer Energieversorgung
für den
Prüfschaltkreis
und den Schalter. Aufgrund höherer
Funktionsund Verschleißfestigkeit
sind Steuersignal und Schalter redundant ausgeführt, d.h. der zweite Schalter
wird von dem Prüfschaltkreis
mit einem von dem ersten Steuersignal abweichenden zweiten Steuersignal
beaufschlagt.
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Gemäß der schweizerischen
Anmeldung CH 497 059 wird ein druckknopfbetätigbarer Überstromschalter mit elektronischer
Strombegrenzungsschaltvorrichtung zum Schutze von Halbleiterbauelementen
mit elektromagnetischer und/oder thermischer Auslösung vorgestellt,
wobei die Magnetspule der elektromagnetischen Auslösung und/oder
eine Heizwicklung des Bimetallstreifens der thermischen Auslösung in
Reihe mit den Schaltkontakten liegt. Zum Schutz von Halbleiterbauelementen
soll beim Auftreten eines Überstroms
die Abschaltung innerhalb der Zeit erfolgen, in der der Grenzlastwert
I2dt des Halbleiterkristalls nicht überschritten wird.
Bekannte, eine galvanische Trennung bewirkende Überstromschalter werden mit
einer elektronischen Schaltung so kombiniert, daß kurzzeitig ansteigende Überströme so begrenzt
werden, daß der
zulässige Grenzlastwert
der zu schützenden
Halbleiter bis zur galvanischen Trennung des Stromkreises durch
den Überstromschalter,
4 ms ... 6 ms, nicht überschritten
wird.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 0 563
774 B1 bzw. die deutschen Gebrauchsmuster
DE 92 04 342 U ,
DE 92 08 010 U und
DE 93 21 529 U1 offenbaren
einen fernsteuerbaren Schutzschalter. Fernsteuerbare Schutzschalter
wirken direkt beim Verbrau cher; die Energieversorgung wird parallel
zu allen Verbrauchern/Schutzschaltern geführt, die Steuerleitungen direkt
von der Schaltstelle zu den Verbrauchern/Schutzschaltern. Damit
ergibt sich ein dem Bussteuerungsprinzip entsprechendes Versorgungs-
und Steuerungskonzept, was eine andere Art der Verkabelung mit anderen
Querschnitten und Reduzierung der Brandlast zur Folge hat. Der externe
Fernschalter wirkt auf eine Steuerelektronik innerhalb des Schutzschalters,
die einerseits die Rückführung des
Schaltzustands und andererseits die gewünschte Schalthandlung über einen
elektromagnetischen Schaltantrieb, der auf das Schaltschloß wirkt,
besorgt. Der Bimetallauslöser
wirkt ebenfalls auf das Schaltschloß, d.h. die Schalthandlung
kann extern erfolgen, die Überstromüberwachung
erfolgt intern in bereits oben vorgestellter Ausführung.
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Die
Patente CH 660 647 A5/DE 32 18 398,
DE 33 16 230 A1 und
DE 41 18 377 C2 bzw. das
Gebrauchsmuster
DE
202 07 832 U1 stellen einen elektromechanischen Leitungs-
und/oder -geräteschutzschalter
gegen Überstrom
und Kurzschluß vor,
der je aus zwei langsamen und schnellen Schaltmechanismen besteht,
die ihrerseits auf einen Hauptstrom-, einen Nebenstrom- und einen
weiteren Stromweg derart wirken, daß der Schutzschalter zu vor-
oder nachgeschalteten Schutzeinrichtungen selektiv wirkt, ohne im
Kurzschlußfall
mehrmals ein- oder ausschalten zu müssen. Als Geräteschutzschalter
kann er beim Einschaltstromstoß den
Hauptstromweg kurzzeitig unterbrechen.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
27 07 455 C3 /die japanische Schrift JP P18021-76 offenbart
einen elektronischen Überstrom-Schutzschalter,
bestehend aus einem Überstrom-Meßschaltkreis
mit Stromwandler, wobei der sekundärseitige Ausgangsstrom des
Stromwandlers der Stärke
des Überstroms
proportional ist, und einem relaisgeschalteten Laststromkreis, wobei
die beiden Kreise nicht galvanisch, sondern über eine Licht-Übertragungsvorrichtung
verbunden sind. Optokoppler werden nicht nur zur Signalübertragung,
sondern auch zur galvanischen Trennung von Schaltkreisen eingesetzt.
Die Vorteile dieser Schaltung sind die vollständige galvanische Trennung
des Laststromkreises vom Überstrom-Meßschaltkreis
durch den Stromwandler, die Licht-Übertragungsvorrichtung und
den isolierten Transformator, der den Überstrom-Meßschaltkreis von der speisenden
Hilfsspannungsquelle trennt. Ein schnelles, sofortiges Abschalten
des Überstroms
nach dessen Erkennen ist durch den Einsatz des Transistors gewährleistet.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
1 005 160 A3 /die deutsche Anmeldung
DE 198 55 054 stellt eine Schaltungseinrichtung
für einen
rein elektronischen Leistungsschalter vor, insbesondere ausgestattet
mit einer Pegelveränderungseinrichtung
und einem Treiber für
elektronische Leistungsschalter, mit denen eine elektrische Last
betrieben wird.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 1 186
086 B1 , abgeleitet aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 299 09 205 U ,
beschreibt ein Stromverteilungssystem für getaktete/unstetig geregelte
Netzteile oder Schaltnetzteile, insbesondere für den Gleichstrom-Niedervoltbereich,
z.B. den 24 VDC-Bereich. Im Gegensatz zu linear geregelten Transformator-Netzteilen,
z.B. Nennstrom von 30 A, Kurzschlußstrom von 300 A, ist bei Schaltnetzteilen,
z.B. Nennstrom von 30 A, Kurzschlußstrom von 33 A, im Kurzschlußfall auf
der Lastseite hinter dem Schutzschalter nicht sichergestellt, daß dieser
zuverlässig
auslöst,
da das Schaltnetzteil in dieser Betriebsart sich selbst spannungsmäßig herunterregelt,
im Kurzschlußfall
thermisch >20 s, oder
daß bei
langen, Ohmschen Lastleitungen der hohe Kurzschluß-Schaltstrom
nicht fließen
kann. Das Stromverteilungssystem besteht aus vielen in Reihe geschalteten
Schutzschaltern und Lasten, die wiederum parallel über ein
Schaltnetzteil versorgt werden. Der Schutzschalter besteht im wesentlichen
aus einem Meßwert-Erfassungsbaustein,
z.B. ein Shunt, der auf ein Steuerteil wirkt, dessen Ausgang ein
Halbleiter-Leistungsteil
steuert. Zusätzlich
kann der Schutzschalter mit einem Fail-Safe-Element und einer mit dem Steuerteil
verbundenen, elektromagnetischen Trenneinrichtung ausgestattet sein.
Das Strom-/Zeit-Diagramm des Schutzschalters zeigt, daß der Anstieg
des Stroms von 1,1 x I
N ... 2 x I
N 5 s überwacht
wird und bei > 2 x
I
N in der Zeit, 1/x-Charakteristik, t
A < 5
s abschaltet.
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Solche
Schutzschalter und Überwachungsrelais
für getaktete/unstetig
geregelte Netzteile oder Schaltnetzteile sind auch als elektronische
Sicherungen bekannt
- – Sicherheits-Relais-Bausteine
für unstabilisierte
Netzteile SRB, Fa. Elan Schmersal, Produktinformation Sicherheitsgerichtete
Teile von Steuerungen
- – Elektronischer
Schutzschalter ESSx, Fa. ETA, Produktinformation Schalt-, Schutz- und Steuergeräte
- – Intelligentes
Strom-Management Mico Power Control, Fa. Murr, Produktinformation
Primärgetaktete
Netzgeräte
- – Thermischer
Sicherungsautomat TCP, Fa. Phoenix Contact, Produktinformation Spezialanschlüsse Sicherungsautomaten
- – Einphasige
Stromüberwachung
S-Range, Fa. Pilz, Produktinformation Elektronische Überwachungsgeräte
- – Einphasige
Stromüberwachung
NMx, Fa. Schleicher, Produktinformation Meß- und Überwachungsrelais
- – Elektronische
Sicherung Waveguard, Fa. Weidmüller,
Produktinformation Stromversorgungen.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 955 660 A1 bzw. die nationale Anmeldung CH 104 198 offenbart
einen elektrischen Geräteschutzschalter
mit Überstrom-
und Unterspannungsfunktion und Überstromsensor
dafür,
der im wesentlichen als dreiphasiger Motorschutzschalter mit Rechts-/Linkslauf-Schaltstellung
vorgesehen ist. Der Geräteschutzschalter
ist sandwichartig aufgebaut und enthält im wesentlichen im unteren
Teil des doppelstückigen
Gehäuses
eine Elektronik mit Anschlußklemmen
für Stromversorgung
5 VDC, ein ASIC (Application Specific Integrated-Circuit)-Schaltkreis mit der
Stromerfassung und -auswertung, Überstromsensor,
und eine Schaltstange mit Nocken und Doppelkontakten. Der obere
Teil des Gehäuses
enthält
eine Schaltschloß-Mechanik
mit Drehknopf für
die Drehrichtung Rechts-/Linkslauf und ein auf das Schaltschloß wirkendes und
von dem Überstromsensor
angesteuertes Unterspannungsrelais. Der Schaltnocken greift durch
einen Schlitz des Oberkastens bildet die mechanische Schnittstelle
zwischen Unter- und Obergehäuse.
Der Drehknopf erlaubt händisches
Ein-/Aus- und Rechts-/Links-Schalten; der Überstrom sensor löst bei Überstrom
das Unterspannungsrelais aus – ebenso
bei Netzspannungsabfall (nur Phasen 1 und 2) – welches das Schaltschloß entklinkt
und über
Nocken und Schaltstange die Applikation stromlos macht. Der Überstromsensor kann
als Planar-Stromwandler ausgeführt
sein.
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Alle
vorgestellten Lösungen
können
wie folgt klassifiziert werden und allen gereicht zum Nachteil,
daß sie
entweder rein mechanisch oder rein elektronisch aufgebaut sind oder
daß sie
einen thermischen (Bimetall-) oder elektronischen Überstromauslöser, aber
keinen elektromagnetischen Kurzschlußauslöser besitzen oder umgekehrt
oder daß sie
nur für
einen fest eingestellten Strom IN aufgebaut
sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vielzahl der Ausführungsformen
von elektromechanischen und elektronischen Schutzschaltern, insbesondere
zum Einsatz im Niederspannungsbereich, z.B. nach VDE 0641 Teil 11/EN
60898 oder VDE 0660 Teil 101/EN 60947-2, zu reduzieren, um damit
neben der Herstellung auch Lagerhaltung und Vertrieb zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch
gelöst,
daß die
Auslöse-Charakteristik
einstellbar ist.
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Eine
weitere Ausprägungsform
der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben, daß die Auslöse-Charakteristika
elektronisch abgespeichert, einstellbar und abrufbar abgelegt sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der thermische Überstromauslöser elektronisch nachgebildet.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile stellen sich wie folgt dar.
Der ein- oder mehr -phasige
elektronische Schutzschalter ist modular aufgebaut und enthält folgende
Komponenten, wobei der thermische (Bimetall-) Überstromauslöser und
die Spule des elektromagnetischen Kurzschlußauslösers ersetzt werden
- - Stromversorgung für die Schaltelektronik, z.B.
3 VDC/5 VDC
- - Erfassung des Stroms und Aufbereitung des Stromäquivalents
- - Auswerten, Steuern und Speichern mittels speicherndem Logik-Baustein
- - Kleinspannungsmagnet mit Anker als Auslöser für die Kurzschluß-Schalthandlung.
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Die
Stromversorgung bezieht ihre Energie aus dem zu überwachenden Netz.
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Die
Erregerspule für
den Kleinspannungsmagnet, hohe Windungszahl für kleine Ströme, als
Auslöser bleibt
stets gleich, da die Auslösekraft
konstant bleibt; unterschiedlich hohe Primärströme werden – durch unterschiedliche Kontaktbestückung, Kontaktmaterial
und Luftspalt – in
Klassen eingeteilt, realisiert. Kleinspannungs-Stromversorgung und Logik-Baustein bleiben
ebenfalls stets einheitlich. Die Stromerfassung muß, wie die
Kontaktierung, klassifiziert werden.
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Der
Schutzschalter der erfindungsgemäßen Bauart
verwendet die Kurzschluß-Schalteinrichtung
der bekannten Bauart, umrahmt von einer elektronischen Stromerfassung,
Signalaufbereitung, Auswertung, Steuerung und Speicherung. Als freier
Parameter wird aus einem Software-Katalog die gewünschte Auslöse-Charakteristik
angewählt.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, bekannte Auslöse-Charakteristika
zu programmieren und präventiv
zu hinterlegen.
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Gemäß einer
weiteren Ausprägung
der erfinderischen Neuheit wird der Logik-Baustein mittels einer Datenschnittstelle – zwecks
Einstellung gewünschter
Eigenschaften – interaktiv
gestaltet.
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Neben
der externen Bedienerführung über Datenschnittstelle
erlaubt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mittels einer minimalen
Mensch-Maschine-Kommunikation, z.B. durch LED-Optik und Tastenkombination,
die Eingabe und Auswahl gewünschter
Auslöse-Charakteristika.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die variablen Konstruktionsteile,
wie Klemmen, Stromerfassung und Kontaktierung, klassifiziert und
als Bausatz beigestellt.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
einen leistungsbezogenen Schutzschalter verschiedener Klassen modular
zu konfigurieren.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, den Logik-Baustein
in Leistungsklassen lernfähig und
die Auslöse-Charakteristik
selbst einstellbar zu gestalten.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt in der unterschiedlichen
Art der Strommessung und der Gestaltung der Meßeinrichtung. Als Stromwandler
oder Stromsensor können
eingesetzt werden, auch in Planar-Technologie, z.B.
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- – temperaturkompensierte
Präzisions-
und Leistungswiderstände
in Vier-Leiter-Anschlußtechnik
mit stromproportionalem Spannungsausgang
- – Strommessung
durch Messung des durch den Strom hervorgerufenen Magnetfeldes mittels
Feldplatte
- – Stromsensor
auf Ferritring mit geradem, stromdurchflossenem Leiter
- – Stromsensor
auf magnetfelderzeugendem, stromdurchflossenem Leiter
- – Stromsensor
aus stromdurchflossener Schleife mittels Vollbrücke
- – Strommessung über den
Faraday-Effekt der Drehung der Polarisationsebene
- – Strommessung
mittels der stromsensitiven Halbleiterfläche.
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Die
galvanische Trennung zwischen Primärstrom und Steuerstrom ist
gegeben.
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Der
Logik-Baustein erlaubt die Anwendung mathematischer und numerischer
Verfahren auf die gemessenen und gespeicherten Funktionsverläufe.
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Die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der
Anzahl der Schutzrechtsansprüche
wider.
