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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Auslöser mit Strommeßmitteln,
die an eine elektronische Verarbeitungsschaltung zur Gewährleistung von
Schutzfunktionen und zum Vergleich des gemessenen Stroms mit mindestens
einem Auslöseschwellwert
sowie an eine Stromversorgungsschaltung angeschlossen sind, die
einen Stromversorgungskondensator und Regelungsmittel zur Regelung
der Spannung an den Klemmen des Kondensators in Abhängigkeit
von einer festgelegten Bezugsspannung umfaßt.
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Stand der
Technik
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Bei
bekannten Auslösern
wird die Auslösespule
normalerweise über
einen Stromversorgungskondensator einer Stromversorgungsschaltung
versorgt. Bei Auslösern
mit Eigenstromversorgung wird der Stromversorgungskondensator durch
Strommeßwandler
aufgeladen, die den Leitern eines zu schützenden elektrischen Leitungsnetzes
zugeordnet sind. Die Stromversorgungsschaltung ist normalerweise
als Schaltnetzteil ausgebildet, das die Regelung der Spannung an
den Klemmen des Stromversorgungskondensators erlaubt.
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In
der Druckschrift US-A-4 567 540 wird eine Stromversorgungsschaltung
mit einem Stromversorgungskondensator und Regelungsmitteln zur Regelung
der Spannung an den Klemmen des Kondensators in Abhängigkeit
von einer Bezugsspannung beschrieben, welche Schaltung für einen
elektronischen Auslöser
mit Strommeßmitteln
bestimmt ist, die an eine elektronische Verarbeitungsschaltung zur Gewährleistung
von Schutzfunktionen angeschlossen sind.
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Bei
den derzeit üblichen
Auslösern
ist im allgemeinen eine erste Versorgungsspannung von etwa 18 V
an den Klemmen des Stromversorgungskondensators erforderlich, um
eine zuverlässige
Auslösung
durch die Auslösespule
zu gewährleisten. Eine
zweite, niedrigere Versorgungsspannung von beispielsweise etwa 10
V, die zur Versorgung der verschiedenen elektronischen Schaltkreise
des Auslösers
ausreicht, wird aus der an den Klemmen des Auslösekondensators anliegenden
Spannung abgeleitet.
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Da
die Lebensdauer eines Kondensators vom Unterschied zwischen der
zulässigen
Höchstspannung
des Kondensators (Nennspannung des Kondensators) und der tatsächlichen
Betriebsspannung abhängt,
ist die Verwendung von Kondensatoren ausreichender Baugröße erforderlich,
um die Zuverlässigkeit
des Auslösekondensators
zu gewährleisten.
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Ziel der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist ein Auslöser,
mit dem die Zuverlässigkeit
des Auslösekondensators
bei gleichzeitig verminderter Baugröße und niedrigeren Kosten des
Kondensators beibehalten oder verbessert werden kann.
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Dieses
Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß die
elektronische Verarbeitungsschaltung Vergleichsmittel zum Vergleich
des Stroms mit einem festgelegten, unter dem Auslöseschwellwert liegenden
Schwellwert umfaßt
und der Auslöser
Mittel umfaßt,
um die Bezugsspannung der Regelungsmittel während einer ersten festgelegten
Zeitdauer, bei Anlegen der Spannung an den Kondensator bzw. Messung
eines Stroms größer oder
gleich dem festgelegten Schwellwert, auf einen ersten festgelegten Wert
sowie nach Ablauf der genannten festgelegten Zeitdauer auf einen,
im Vergleich zum ersten Schwellwert niedrigeren, zweiten festgelegten
Wert festzulegen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Wert der Bezugsspannung
kleiner als die zur Erregung einer Auslösespule des Auslösers erforderliche
Spannung.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines elektronischen Auslösers nach
dem bisherigen Stand der Technik;
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2 eine
Stromversorgungsschaltung eines Auslösers nach dem bisherigen Stand
der Technik;
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3 eine
besondere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Auslösers;
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4a und 4b den
Verlauf der Spannung an den Klemmen des Stromversorgungskondensators
bzw. eines Stromversorgungssignals der elektronischen Schaltkreise
eines Auslösers
gemäß 3 in
Abhängigkeit
von der Zeit;
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5 eine
besondere Ausgestaltung eines Funktionsablaufdiagramms einer Stromversorgungsschaltung
eines Auslösers
gemäß 3.
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Beschreibung
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
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1 zeigt
einen elektronischer Auslöser nach
dem bisherigen Stand der Technik. In der Figur sind ausschließlich die
zum Verständnis
der Erfindung erforderlichen Teile dargestellt. Den Leitern eines
zu schützenden
Leitungsnetzes zugeordnete Strommeßwandler 1 liefern
den Strom in den Leitern abbildende Signale an eine elektronische
Verarbeitungsschaltung 2. Die vorzugsweise als Mikroprozessorschaltung
ausgebildete elektronische Verarbeitungsschaltung 2 dient
zur Gewährleistung
von Schutzfunktionen, vergleicht die gemessenen Ströme mit mindestens
einem Auslöseschwellwert
und liefert im Fehlerfall, z.B. bei Auftreten einer Überlast oder
eines Kurzschlusses, ein Auslösesignal
D. Das Auslösesignal
D wird einer Steuerelektrode eines, beispielsweise als Thyristor
ausgebildeten elektronischen Schalters 3 zugeführt. Das
Schließen
des elektronischen Schalters 3 durch ein Auslösesignal
D bewirkt die Erregung einer Auslösespule 4, die in
Reihe mit dem elektronischen Schalter 3 an die Klemmen
einer ersten Versorgungsspannung V1 angeschlossen
ist.
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Die
erste Versorgungsspannung V1 wird von einer
Stromversorgungsschaltung 5 geliefert. Bei Auslösern mit
Eigenstromversorgung wird die Stromversorgungsschaltung 5 durch
Strommeßwandler gespeist,
die den Leitern des zu schützenden
Leitungsnetzes zugeordnet sind. Die an die Stromversorgungsschaltung
angeschlossenen Strommeßwandler
können
die Strommeßwandler 1 oder
entsprechend der Darstellung in 1 von diesen
abweichende Strommeßwandler 6 sein.
Im letzten Fall sind die Strommeßwandler 1 vorzugsweise
Luftwandler, z.B. Wandler mit Rogowskispulen, während die Strommeßwandler 6 vorzugsweise
als Eisenkernwandler ausgeführt
sind.
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Die
Stromversorgungsschaltung 5 liefert darüber hinaus eine zweite Versorgungsspannung
V2, die unter der ersten Versorgungsspannung
liegt und ausreichend groß ist,
um die verschiedenen elektronischen Schaltkreise des Auslösers zu
versorgen.
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Die
Stromversorgungsschaltung 5 ist üblicherweise als Schaltnetzteil
ausgebildet, das die Regelung der Spannung an den Klemmen des Stromversorgungskondensators
erlaubt. Bei der in 2 gezeigten besonderen Ausgestaltung
sind die Strommeßwandler 1 bzw. 6 mit
einer Gleichrichterschaltung 7 verbunden, die vorzugsweise
als Zweiweggleichrichter ausgelegt ist und zwei Ausgangsklemmen
aufweist, von denen eine mit Masse und die andere mit dem Leiter 8 verbunden
ist. Ein als Zerhacker dienender elektronischer Schalter 9,
ist parallel an die Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung angeschlossen.
Eine, die erste Versorgungsspannung V1 liefernde
erste Ausgangsklemme der Stromversorgungsschaltung 5 ist
mit dem Leiter 8 über
eine Diode 10 verbunden, die so geschaltet ist, daß sie in Durchlaßrichtung
arbeitet, wenn die Spannung am Ausgang der Gleichrichterschaltung 7 größer ist
als V1 und im entgegengesetzten Fall sperrt.
Ein parallel zu einem Spannungsteiler liegender Kondensator C ist
zwischen die erste Ausgangsklemme der Stromversorgungsschaltung 5 und
Masse geschaltet. Bei dem Spannungsteiler handelt es sich um einen
ohmschen Spannungsteiler, der durch eine Reihenschaltung aus einem
ersten Widerstand R1 und einem zweiten Widerstand
R2 gebildet wird. Der Mittelanschluß des ohmschen
Spannungsteilers ist mit einem Eingang einer Regelschaltung 11 verbunden,
die den elektronischen Schalter 9 ansteuert. Ein dritter
Widerstand R3 ist in Reihe mit einer Zenerdiode
Zd parallel zum Kondensator C geschaltet, wobei der Mittelanschluß zwischen
dem Widerstand R3 und der Zenerdiode Zd
eine zweite Ausgangsklemme der Stromversorgungsschaltung 5 bildet,
an der die zweite Versorgungsspannung V2 bereitgestellt
wird.
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Die
am Mittelanschluß abgegriffene
Spannung V3 ist ein Abbild der Spannung
V1 an den Klemmen des Kondensators. Solange
die Spannung V3 unter einer festgelegten
Bezugsspannung liegt, hält die
Regelschaltung 11 den elektronischen Schalter 9 in
der Aus-Stellung (Sperrbetrieb bei Verwendung eines Transistors).
Der Kondensator C wird dann durch die Stromwandler über die
Gleichrichterschaltung 7 und die Diode 10 aufgeladen.
Sobald die Spannung V3 den Wert der Bezugsspannung
erreicht, schließt die
Regelschaltung 11 den elektronischen Schalter 9 (Durchlaßbetrieb
bei Verwendung eines Transistors), so daß der Ausgang der Gleichrichterschaltung
kurzgeschlossen wird. Die Diode 10 sperrt daraufhin und verhindert
die weitere Aufladung des Kondensators. So wird die erste Versorgungsspannung
V1 auf den Wert der festgelegten Bezugsspannung
geregelt. Die zweite Spannung V2 steht an
den Klemmen der Zenerdiode Zd zur Verfügung.
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Bei
bekannten Auslösern
wird die Bezugsspannung so gewählt,
daß zu
jedem Zeitpunkt eine sichere Auslösung der Auslösespule
im Fehlerfall gewährleistet
ist. Beträgt
die zur sicheren Auslösung der
Auslösespule 4 erforderliche
Spannung beispielsweise etwa 18 V, wird die Bezugsspannung auf einen
Wert von 19 V festgelegt.
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Der
in 3 gezeigte erfindungsgemäße Auslöser unterscheidet sich von
dem zuvor beschriebenen Auslöser
dadurch, daß die
Regelschaltung 11 einen zusätzlichen Eingang aufweist,
der mit einem zusätzlichen
Ausgang der elektronischen Verarbeitungsschaltung 2 des
Auslösers
verbunden ist. Die elektronische Verarbeitungsschaltung 2 bewirkt
eine Änderung
der Bezugsspannung der Regelschaltung 11 derart, daß die Spannung
während
einer ersten festgelegten Zeitdauer, beim Anlegen der Spannung an
den Auslöser
oder bei Messung eines Stroms I größer oder gleich einem festgelegten
Schwellwert ls, einen ersten Wert annimmt, der unter dem Auslöseschwellwert
liegt, und nach Ablauf der genannten festgelegten Zeitdauer einen
zweiten festgelegten Schwellwert annimmt, der unter dem ersten Schwellwert
liegt.
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Die
Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Auslösers wird nachstehend mit Bezug
auf die 4a, 4b und 5 näher erläutert.
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Zu
Beginn, d.h. beim Anlegen der Spannung an den Auslöser ist
die an den Klemmen des Kondensators C anliegende Spannung V1 null. Da der elektronische Schalter 9 geöffnet ist,
beginnt sich der Kondensator aufzuladen. Die Spannung V1 steigt
an. Zum Zeitpunkt t1 erreicht sie einen
Wert von beispielsweise 8 V gemäß 4A,
der zur Versorgung der elektronischen Schaltkreise des Auslösers und insbesondere
der elektronischen Verarbeitungsschaltung 2 ausreicht.
Ein Stromversorgungssignal A (4b), das
bisher auf 0 lag, nimmt nun den Wert 1 an und initialisiert eine
Anlaufphase F1 (5) des Mikroprozessors der elektronischen
Verarbeitungsschaltung. Diese Schaltung setzt dann in einer Phase F2
eine Größe Δt auf null
und stellt anschließend
in einer Phase F3 den Wert der Bezugsspannung Vref auf einen ersten
Wert. Bei der gezeigten besonderen Ausgestaltung beträgt dieser
erste Wert der Bezugsspannung 19 V. Gesteuert durch die elektronische Verarbeitungsschaltung 2 verwendet
die Regelschaltung 11 diesen ersten Wert der Bezugsspannung während einer
festgelegten Zeitdauer T von beispielsweise zwischen 10 und 100
Millisekunden.
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Der
Mikroprozessor überprüft danach
in einem Schritt F4, ob die Zeitdauer T verstrichen ist (Δt = 1s ?).
Ist dies der Fall (Ausgang JA bei F4), ändert er in einem Schritt F5
den Wert der Bezugsspannung Vref, der daraufhin einen, unter dem
ersten Wert liegenden zweiten Wert annimmt. Bei der gezeigten besonderen
Ausgestaltung beträgt
dieser zweite Wert der Bezugsspannung 10 V. Gesteuert durch die
elektronische Verarbeitungsschaltung 2 verwendet die Regelschaltung 11 diesen
zweiten Wert der Bezugsspannung ab einem Zeitpunkt t2 (t2 = t1 + T). Der
Kondensator C entlädt
sich, bis die Spannung an seinen Klemmen den zweiten Bezugswert
erreicht. Dieser Wert ist so gewählt,
daß er
ausreicht, um eine zuverlässige
Stromversorgung der elektronischen Schaltkreise des Auslösers zu
gewährleisten,
d.h. er muß bei
der gezeigten besonderen Ausgestaltung über 8 V, jedoch gleichzeitig
unter der Spannung liegen, die für
eine zuverlässige
Aktivierung der Auslösespule erforderlich
ist. Ist die Zeitdauer T noch nicht verstrichen (Ausgang NEIN an
F4) schaltet der Mikroprozessor weiter zu einem Schritt F6, in dem
er die Größe Δt (Δt = Δt + 1) erhöht, und
verzweigt anschließend
wieder zu Schritt F4.
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Nach
dem Schritt F5, in dem die Bezugsspannung den zweiten, niedrigeren
Wert angenommen hat, überprüft der Mikroprozessor
(Schritt F7), ob der gemessene Strom ggf. einen, unter dem Auslöseschwellwert
liegenden festgelegten Schwellwert überschreitet (l ≥ ls ?). Solange
der gemessene Strom unter diesem Schwellwert liegt (Ausgang NEIN
in F7), bleibt die Bezugsspannung unverändert, und der Mikroprozessor
setzt die Überwachung des
Stromverlaufs durch Rücksprung
auf Schritt F7 fort.
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Erreicht
oder überschreitet
der Strom zu einem Zeitpunkt t3 den Schwellwert
ls (Ausgang JA bei F7), verzweigt der Mikroprozessor zu Schritt
F2. Die Bezugsspannung Vref nimmt erneut den ersten, höheren Wert
an, und der Kondensator C lädt
sich erneut auf, bis er diesen Wert erreicht. Die Überschreitung
des Schwellwerts ls durch den Strom zeigt an, daß dieser über seinem Normalwert liegt,
und ist ein Hinweis darauf, daß möglicherweise
die Erfassung eines Fehlers unmittelbar bevorsteht, der eine Auslösung zur
Folge haben muß.
Entspricht beispielsweise ln dem Nennstrom des Auslösers, kann
der Schwellwert ls = 2 ln betragen. Erfaßt die elektronische Verarbeitungsschaltung 2 während der
Zeitdauer t3 keinen Fehler, nimmt die Bezugsspannung
nach Ablauf dieser Zeit wieder ihren zweiten Wert an. Wird während der
genannten Zeitdauer jedoch tatsächlich ein
Fehler erfaßt,
so wird zum Zeitpunkt t4 gemäß 4b ein
Auslösesignal
D ausgesendet. Die ordnungsgemäß über den
gerade aufgeladenen Kondensator C eingespeiste Auslösespule 4 bewirkt dann
die Stromunterbrechung im zu schützenden Netz.
Die Stromversorgungsschaltung 5 wird dadurch nicht mehr über die
Stromwandler versorgt, und der Kondensator C entlädt sich.
Zum Zeitpunkt t5 wird die Spannung an den
Klemmen des Kondensators zu niedrig, um die elektronischen Schaltkreise des
Auslösers
weiter zu versorgen (A = 0). Der Mikroprozessor trifft dann auf
herkömmliche
Weise während
der auf die Auslösung
folgenden Zeitspanne t4-t5 geeignete
Maßnahmen
zur Sicherung bestimmter Daten.
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Bei
der Ausgestaltung nach 5 werden die spezifischen Werte
der Bezugsspannung (19 V bzw. 10 V) während der Schritte F3 und F5
festgelegt, und diese Werte werden anschließend an die Regelschaltung 11 übertragen.
Nach einer Ausführungsvariante
können
die beiden möglichen
Werte der Bezugsspannung Vref innerhalb der Regelschaltung festgelegt
werden, und der Mikroprozessor überträgt lediglich
ein binäres
Signal für
den jeweils zu verwendenden Wert an die Regelschaltung.
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Auf
diese Weise erlaubt die Erfindung die Verwendung eines Kondensators
C zur Stromversorgung der Auslösespule 4,
der geringere Abmessungen aufweist und damit kostengünstiger
ist, während gleichzeitig
ein zuverlässiger
Betrieb der Spule im Fehlerfall gewährleistet bleibt. Da eine Auslösung ein verhältnismäßig selten
eintretendes Ereignis darstellt, ist der Kondensator nur während kurzer
Zeitspanne von beispielsweise 1 s, während der ein Fehler auftreten
kann, voll geladen, d.h. im vorliegenden Fall, wenn der Auslöser an Spannung
gelegt wird oder der gemessene Strom einen festgelegten Schwellwert
ls erreicht. Ein Kondensator mit einer Kapazität von 22μF und einer Höchstspannung
von 35V kann beispielsweise durch einen 22μF- Kondensator mit einer Höchstspannung
von 25V ersetzt werden. Da der Unterschied zwischen der Höchstspannung
des Kondensators und der tatsächlichen
Betriebsspannung anstatt 35–19
= 16 V dann 25–10
= 15 V beträgt,
bleiben trotz der deutlich geringeren Baugröße und Kosten des Kondensators
seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit
praktisch unverändert.
Andererseits lassen sich bei gleicher Baugröße des Kondensators die Lebensdauer
und damit auch die Zuverlässigkeit
des Kondensators wesentlich erhöhen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausgestaltungen
beschränkt.
Sie ist insbesondere nicht auf eine als Schaltnetzteil mit Abspanntrafo
ausgelegte Stromversorgung beschränkt, sondern gilt sinngemäß auch für Schaltnetzteile
mit Aufspanntrafos.