DE4300620C1 - Verfahren zur Überwachung des Stromflusses durch einen elektrischen Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Stromflusses durch einen elektrischen Schalter, welcher in Reihe zu einem elektrischen Verbraucher liegt und durch ein separates Steuergerät ein- und ausgeschaltet wird.

Bei derartigen Schaltungsanordnungen ist die Überwachung des Stromflusses notwendig, weil allein die Stellung des elektrischen Schalters keine Aussage über den Stromfluß im Schaltkreis gibt.

Es ist bekannt, durch Stromwandler den Stromfluß in einem geschlossenen Schaltkreis, der aus einem elektrischen Schalter und einem in Reihe geschalteten Verbraucher besteht, zu überwachen.

Des weiteren sind Schaltungen bekannt, die die Klemmenspannung von ausgeschalteten elektrischen Schaltern überwachen und anzeigen, wie sie z. B. in der DD 2 70 596 A1 und der DE 34 26 767 A1 beschrieben. sind.

Stromwandler sind teuer und benötigen zusätzlich einen Meßverstärker, welcher das Signal aus dem Wandler verstärkt, meist gleichrichtet und dann durch Schwellwertvergleich überwacht. Je nach Größe des elektrischen Verbrauchers muß der Stromwandler oder der Meßverstärker noch angepaßt bzw. abgeglichen werden. Die Montage eines Meßwandlers erfordert meist großen Aufwand, weil das Primärkabel durch den Wandler geführt werden muß und die Sekundärkabel des Wandlers immer die vorgeschriebenen Mindestabstände nach den einschlägigen Vorschriften zum Primärkabel einhalten müssen.

Die DD 270 596 A1 befaßt sich mit dem Beobachten eines elektrischen Schalters. Darin sind jedoch zwei Nachteile enthalten:

• 1. Der im Patentanspruch aufgeführte Stromsensor erfaßt nicht den tatsächlich fließenden Strom sondern die am elektrischen Schalter auftretende Klemmenspannung, richtet diese gleich und führt sie nach einer minimalen Glättung einer Leuchtdiode eines Optokopplers zu, dessen Ausgangstransistor im Falle von anstehender Klemmenspannung einen nachfolgenden Transistorverstärker aktiviert, welcher wiederum die Fehleranzeige einschaltet. Sofern jetzt bei geöffnetem elektrischem Schalter in Form von z. B. zwei antiparallelen Thyristoren einer der beiden Thyristoren fehlerhaft wird (durchlegiert), stellt sich an der Leuchtdiode ein Flackern mit der Frequenz der benutzten Wechselspannung der Anlage ein. Dieser Effekt ist nicht durch eine geeignete Dimensionierung der vorgesehenen Glättung zu eliminieren.
• 2. Des weiteren wird kein Fehler angezeigt, wenn z. B. der elektrische Schalter mit Hilfe der externen Steuerschaltung durchgeschaltet wird, dann jedoch der elektrische Schalter defekt wird und nicht mehr ordentlich schaltet oder z. B. die Lastspannuung des elektrischen Schalters ausfällt. Ein Fehler wird erst dann wieder angezeigt, wenn die externe Steuerschaltung den elektrischen Schalter ausschalten würde, wobei sich wieder eine Klemmenspannung über dem elektrischen Schalter einstellen müßte. In der Praxis ist es jedoch so, daß die externe Steuerschaltung meist ein Regler ist, der, nachdem der elektrische Schalter defekt ist, immer eingeschaltet bleibt, da dem elektrischen Verbraucher, der mit dem elektrischen Schalter geschaltet wurde, keine Energie mehr zugeführt wird und dadurch nie seinen Arbeitspunkt erreicht, in dem der Regler in Pulsbreitenbetrieb übergehen würde, von wo ab es dann eine endlose Reihe von verschieden langen EIN- und AUS-Phasen des elektrischen Schalters geben würde usw. Noch undurchsichtiger ist die Situation, wenn von dem elektrischen Schalter nur ein Teil des Schalters defekt wird, z. B. eine der beiden antiparallel geschalteten Thyristoren unterbricht. Der Verbraucher bekommt effektiv nur noch die Hälfte der Energie, wird demnach warm, so daß er bei einer manuellen Kontrolle nicht auffallen würde, erreicht jedoch nie den Arbeitspunkt des Reglers, welcher dadurch nie AUS-Phasen für den elektrischen Schalter bringen würde und dadurch nie ein Fehler angezeigt würde.

Die DE 34 26 767 A1 befaßt sich ebenfalls mit dem Beobachten eines elektrischen Schalters. Hier jedoch wird nur die Überwachung eines einzelnen Thyristors beschrieben und auch nur die bekannte Tatsache, daß bei einem ordentlich installierten geöffneten Schalter sich eine Klemmenspannung vom Betrag der benutzten Betriebsspannung einstellt und wie diese Klemmenspannung mit Hilfe einer Zusatzschaltung in Licht einer Leuchtdiode umgewandelt werden kann. Dabei wird nicht berücksichtigt, ob das entstehende Licht an der ausgangsseitigen Leuchtdiode mit dem Steuersignal des Thyristors korrespondiert oder wie vorzugehen ist, wenn zwei antiparallele Thyristoren zum Einsatz kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben mit dem es möglich ist, den Stromfluß durch einen elektrischen Schalter und damit durch den ganzen seriellen Schaltkreis auf indirektem Wege zu überwachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach einer frei wählbaren Zeitspanne, beginnend mit der Einschaltphase des Steuergerätes, regelmäßig das Signal des Steuergerätes zum elektrischen Schalter mindestens so lange unterbrochen wird, bis sich eine Klemmenspannung an den Schaltkontakten des dadurch zwangsweise geöffneten elektrischen Schalters wieder einstellt.

Das Verfahren erkennt einen Fehler, wenn sich die Klemmenspannung in der Öffnungsphase des elektrischen Schalters später als festgelegt einstellt oder
wenn in der Schließphase des elektrischen Schalters nach einer festgelegten Zeit eine Klemmenspannung, gleich welcher Zeitspanne, ansteht oder
wenn bei geöffnetem elektrischem Schalter die Klemmenspannung nicht analog der durch den elektrischen Schalter geschalteten Spannung (Gleich- oder Wechselspannung) ist.

Die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß auf eine direkte Strommessung und den damit verbundenen meßtechnischen Aufwand verzichtet wird und es trotzdem einen Stromfluß nachweist. Die zu beobachtenden Signale sind digitaler Natur und durch Optokoppler preiswert galvanisch trennbar.

Das Verfahren wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen 1 und 2 beschrieben. Bei einer typischen Anwendung nach Zeichnung 1 fließt dann ein Strom It, wenn an der Eingangsseite 3 des elektrischen Schalters 1, hier im Beispiel als zwei antiparallele Thyristoren, eine Steuerspannung Ua anliegt, welche durch eine Anpaßschaltung 2 den Gates der beiden Thyristoren zugeführt wird. Wird an der Eingangsseite 3 keine Steuerspannung angelegt, sperrt der elektrische Schalter 1 und über den beiden Thyristoren 4 ist eine Spannung Ut zu messen, die normalerweise die gleiche Form und den gleichen Betrag hat wie die verwendete Betriebsspannung Un. Dabei ist zu berücksichtigen, daß zwischen Anlegen bzw. Wegschalten der Steuerspannung Ua 3 und dem daraus resultierenden Anstehen bzw. Verschwinden der Klemmenspannung Ut ein Zeitversatz von maximal einer halben Periodendauer der aktuellen Netzfrequenz besteht, begründet durch die Funktionsweise der elektrischen Schalter 1, z. B. Thyristoren, Triacs, Alternistoren, MOSFET etc., und der verwendeten Zünd- bzw. Triggerschaltung 2, z. B. Momentanschalter, Nullpunktschalter, Maximumschalter etc.

Nach der Zeichnung 2 wird die Klemmenspannung 12 des elektrischen Schalters 1 über eine Signalauswerteeinheit 16 mit dem Ansteuersignal 3 durch eine Auswerteeinheit 13 verglichen. Ohne Ansteuerung Ua 6 wird auch der elektrische Schalter 1 nicht angesteuert. Dadurch ergibt sich eine Klemmenspannung Ut 12. Die Signalauswerteeinheit 16 generiert aus der Klemmenspannung ein Signal Ug 15, welches digital ist und bei Betrieb des elektrischen Schalters mit Wechselspannung, der doppelten Frequenz der benutzten Netzfrequenz entspricht. Nach keiner bis max. einer Halbwelle Verzögerung, je nach eingesetzter Triggereinrichtung 2 im elektrischen Schalter 1, schließt der Schalter und es baut sich keine Klemmenspannung Ut 12 mehr auf. Statt dessen fließt jetzt ein Strom It durch den Schalter und durch den in Reihe zum Schalter liegenden Verbraucher. Nach Wegnahme der Ansteuerung Ua 6 öffnet der Schalter nach maximal einer Halbwelle Verzögerung, je nach verwendeter Technologie des Schalters und es baut sich wieder die oben beschriebene Klemmenspannung und damit das digitale Signal aus der Signalauswerteeinheit 16 auf.

Unter Berücksichtigung dieser Regeln kann jetzt die Auswerteeinheit das Signal 3 der Ansteuerung und das Signal 15 der Auswerteeinheit nach folgenden Regeln beobachten und bei Verstoß gegen die Regeln einen Alarm anzeigen:

• - Die Auswerteuntereinheit 103 überwacht, solange der elektrische Schalter nicht angesteuert wird, ob das Signal 15 ein Rechtecksignal ist, dessen HIGH-Phasen niemals länger als die benutzte Netzfrequenz ist und dessen LOW-Phase niemals länger als z. B. ¼ der benutzten Netzfrequenz ist.
• - Die Auswerteuntereinheit 104 überwacht, solange der elektrische Schalter angesteuert wird, ob das Signal 15 immer auf LOW bleibt.
• - Die Ansteueruntereinheit 101 und 102 beobachtet die Ansteuerleitung auf Signalwechsel von LOW nach HIGH oder umgekehrt. Nach einem Wechsel der Ansteuerung wird für eine Halbwelle die Überwachung der Untereinheiten 103 und 104 unterdrückt, so daß sich je nach verwendetem elektrischem Schalter 1 und Triggerschaltung 2 der neue stationäre Zustand in dieser Zeit einstellen kann.

Zusätzlich wird die Steuerspannung Ua 6 nicht direkt auf den elektrischen Schalter geschaltet, sondern auf die Funktionseinheit 8 und von dort weiter auf den elektrischen Schalter 1. Dadurch ist es möglich, während besonders langen EIN-Phasen, insbesondere z. B. beim Hochfahren von Heizungen, sprich Aufwärmphase, gelegentlich das Ansteuersignal an den Schalter abzuschalten und die Klemmenspannung nach den oben aufgeführten Regeln zu beobachten. Spätestens im nächsten Nulldurchgang der Netzfrequenz baut sich wieder eine Klemmenspannung 12 auf. Sobald die Auswerteeinheit 103 diese Klemmenspannung sieht, kann die Funktionseinheit 8 den Schalter wieder einschalten. Dabei wird berücksichtigt, daß der normale Arbeitspunkt einer solchen Anordnung ein fortwährendes Ein- und Ausschalten (Pulsbreitenmodulation) des Verbrauchers (z. B. einer Heizung) ist, z. B. zum Zwecke einer Temperaturregelung, meist durch eine übergeordnete Regeleinrichtung. Im Normalfall ist es nicht notwendig, das Ansteuersignal zu manipulieren. Für eine Beobachtung folgen genügend AUS-Phasen. Eine Auswertung kann ohne Probleme durchgeführt werden. Lediglich bei sehr langen EIN-Phasen wird das Ansteuersignal manipuliert. Durch die freie Dimensionierung der Funktionseinheit 8 läßt sich die Manipulationsrate des Ansteuersignales und damit die Störgröße, die damit dem Stellsignal des übergeordneten Reglers aufgeschaltet wird, auf ein Minimum reduzieren. In der Praxis ist es ausreichend, wenn innerhalb einer Minute das Ansteuersignal unterbrochen wird. Durch diese Manipulation des Ansteuersignales 6 wird nur jeweils einer der beiden Thyristoren getestet. Statistisch gesehen verteilen sich jedoch diese Manipulationen auf beide Thyristoren.

Die Ausgänge der beiden Auswerteuntereinheiten 103 und 104 können bei Bedarf mit einem ODER-Glied zusammengefaßt und mit der Unterfunktionseinheit 110 verlängert werden. Die Verlängerung ist dann so zu dimensionieren, daß bei halbseitigem defektem elektrischem Schalter 1 der Ausgang 14 nicht oszilliert.

Claims (4)

1. Verahren zur Überwachung des Stromflusses durch einen elektrischen Schalter (1), welcher in Reihe zu einem elektrischen Verbraucher (5) liegt und durch ein separates Steuergerät ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer frei wählbaren Zeitspanne, beginnend mit der Einschaltphase des Steuergerätes, regelmäßig das Signal des Steuergerätes zum elektrischen Schalter mindestens so lange unterbrochen wird, bis sich eine Klemmenspannung an den Schaltkontakten des dadurch zwangsweise geöffneten elektrischen Schalters wieder einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verfahren ein Fehler erkannt wird, wenn sich die Klemmenspannung in der Öffnungsphase des elektrischen Schalters später als festgelegt einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verfahren ein Fehler erkannt wird, wenn in der Schließphase des elektrischen Schalters nach einer festgelegten Zeit eine Klemmenspannung, gleich welcher Zeitspanne, ansteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Verfahren ein Fehler erkannt wird, wenn die Klemmenspannung nicht analog der durch den elektrischen Schalter zu schaltenden Spannung ist.