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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schalter und insbesondere
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fernsteuern des Stroms an
zumindest eine Last.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Heutzutage
werden in vielen Industriezweigen, wie z. B. in der Flugzeugindustrie
und der Automobilindustrie, Stromunterbrecher bzw. Ausschalter und
Relais verwendet, um komplexe und teure elektrische Komponenten,
Systeme und Subsysteme, elektrische Energiesysteme, die diese Komponenten,
Systeme und Subsysteme mit Energie versorgen, zu schützen. Üblicherweise
unterbrechen Ausschalter den Strom in einer elektrischen Schaltung, was
manchmal als Auslösen
des Ausschalters bezeichnet wird, wenn der Strom durch die Schaltung größer wird,
als es der Ausschalter zulässt.
Herkömmliche
Ausschalter werden typischerweise für einen spezifischen Strompegel
bemessen, der von den Komponenten in der Schaltung und ihren Stromtoleranzen
abhängt.
Wenn der Strom durch den Ausschalter den bemessenen Strompegel überschreitet, schaltet
der Ausschalter den Strom in der Schaltung ab und unterbricht ihn.
Bei einem Typ eines herkömmlichen
Ausschalters, einem mechanischen Ausschalter, wird, wenn ausreichend
Strom durch die Schaltung fließt,
um den Ausschalter abzuschalten, ein Paar von Kontakten, die sich
normalerweise berühren,
um Strom durch den Ausschalter und die restliche Schaltung zu leiten,
beispielsweise durch vorgespannte Federn getrennt, wodurch die Schaltung
unterbrochen wird.
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Zusätzlich zu
Ausschaltern werden heutzutage in vielen Industriezweigen Relais
verwendet, um den Stromfluss zu Komponenten, Systemen und/oder Subsystemen
zu steuern. Herkömmliche Relais
sind elektromechanische Schalter, die durch einen Stromfluss in
einer Schaltung betrieben werden, die den Stromfluss in einer anderen
Schaltung steuert. Ein herkömmliches
grundlegendes Relais besteht aus einem Elektromagneten mit einem
weichen Eisenstab oder einem Anker, der nahe zu dem Elektromagneten
angeordnet ist. Ein beweglicher Kontakt ist mit dem Anker derart
verbunden, dass der Kontakt durch eine Feder oder eine ähnliche
Vorrichtung in einer normalen Position gehalten wird. Um das Relais
zu betätigen,
wird der Elektromagnet unter Strom gesetzt, wie z. B. durch Hindurchleiten
eines Stroms, wodurch eine Kraft auf den Anker ausgeübt wird,
die wiederum den Kontakt dazu veranlasst, den Zug der Feder zu überwinden
und sich zu bewegen, um so entweder die Schaltung zu schließen oder
auszuschalten. Wenn der Elektromagnet ausgeschaltet wird, wie z.
B. durch Halten des Stromflusses durch den Elektromagneten, kehrt
der Kontakt in seine ursprüngliche
normale Position zurück.
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Während herkömmliche
Ausschalter und Relais in vielen Energiesystemen verwendet werden, rufen
sie einige Probleme hervor. Viele herkömmliche Ausschalter und Relais
ermöglichen
einen übermäßigen Stromfluss,
wenn die Kontakte die Schaltung öffnen
und schließen.
Bei diesen Ausschaltern und Relais resultiert der übermäßige Stromfluss
in einem elektrischen Bogen, der sich bei den Kontakten bildet,
was typischerweise die Kontakte verschleißt und sie unter Umständen zusammenschweißt. Der
elektrische Bogen kann auch darin resultieren, dass die Kontakte
verkohlen, so dass die Oberflächen
der Kontakte elektrischen Strom nicht adäquat leiten können. Zusätzlich kann
das Vorhandensein eines elektrischen Bogens eine unnötige Gefahr
für elektrische
Vorrichtungen und für
Leute um solche Vorrichtungen herum unter solchen Umständen bedeuten, wenn
denen sich brennbare Gase um den Ausschalter oder das Relais herum
gesammelt haben.
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Um
einen Zugriff auf herkömmliche
Ausschalter und Relais zu ermöglichen,
werden sie in vielen herkömmlichen
Energiesystemen an zentral angeordneten Panelen in Bereichen platziert,
die typischerweise entfernt von den Komponenten, Systemen und/oder
Subsystemen sind, die geschützt und/oder
gesteuert werden. Dies resultiert in langen Kabelanordnungen, die
sich zwischen den Ausschaltern und/oder den Relais und den Komponenten, Systemen
und/oder Subsystemen erstrecken, die geschützt und/oder gesteuert werden.
Die Länge
der Kabel kann zusätzlich
in einer parasitären
Impedanz resultieren, die im System einen Energieverlust verursachen
kann und ein Systemrauschen erhöhen kann.
Dies resultiert in einer Absenkung der Effizienz des Energiesystems.
Zusätzlich
erhöhen
längere
Kabel auch das Gewicht des Energiesystems, da, wie erwähnt, die
Kabel große
Längen
erreichen müssen, um
die verschiedenen Komponenten und/oder Subsysteme zu steuern.
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Zusätzlich zu
einer geringeren Zuverlässigkeit
und einem erhöhten
Gewicht herkömmlicher
mechanischer Ausschalter und Relais leiden herkömmliche mechanische Ausschalter
aufgrund ihrer Materialeigenschaften unter Beschränkungen.
Die meisten dieser herkömmlichen
Ausschalter können
nicht auf unterschiedliche Anforderungen eingestellt werden, ohne
den gesamten Ausschalter zu ersetzen. Falls z. B. ein mechanischer
Ausschalter für
eine Abschaltung bei 10 A bemessen ist und an eine Schaltung angeschlossen
ist, die eine Komponente, ein System oder ein Subsystem beinhaltet,
welches für
5 A bemessen ist, würde
der für
10 A bemessene Ausschalter durch einen für 5 A bemessenen Ausschalter ersetzt
werden, um einen Überstromschutz
für die Komponente,
das System oder Subsystem vorzusehen, das für 5 A bemessen ist. Zusätzlich ermöglichen
herkömmliche
mechanische Ausschalter keine Anpassungen, um einem Einschaltstrom
Rechnung zu tragen, oder Anpassungen bei Ausschaltspannungen, um
Fluktuationen im Spannungsabfall über einem mechanischen Ausschalter
aufgrund von Temperaturänderungen
in dem Ausschalter Rechnung zu tragen.
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Die
US 6,127,882 zeigt Strommonitore
mit unabhängig
einstellbaren Doppelpegel-Stromwellenwerten.
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Die
WO 93/12566 betrifft eine
fernprogrammierbare Unterbrechereinheit.
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Die
US 4,740,883 betrifft einen
universellen Festkörperleistungswandler.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw.
21 definiert.
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Im
Lichte des vorstehenden Hintergrunds ermöglicht die vorliegende Erfindung
einen programmierbaren Controller, der mit einem entfernten Hauptcontroller
verbunden werden kann, wobei der programmierbare Controller einen
Eingangsstrom hin zu zumindest einer Last steuern kann, wie z. B.
zu einer Komponente und/oder einem System, welches sich an den programmierbaren
Controller anschließt. Der
programmierbare Controller der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest
einen Festkörperschalter, der
den Eingangsstrom zu der Last auf einen vorbestimmten Wert bei dem
oder unterhalb des maximalen Nennstroms des Festkörperschalters
begrenzen kann. Bei einer Ausführungsform
umfasst jeder Festkörperschalter
ein Schaltelement, welches elektrisch mit einer jeweiligen Last
verbunden ist, um den Eingangsstrompegel und den Spannungspegel
zu der jeweiligen Last zu überwachen
und zu steuern, und ein Ansteuerelement, um den Eingangsstrom an
die jeweilige Last zu liefern. Bei dieser Ausführungsform steuert das Schaltelement
den Eingangsstrom, der durch das Ansteuerelement bereitgestellt
wird. Unter Verwendung eines Festkörperschalters, wie z. B. eines
Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) oder eines
Bipolartransistors mit integriertem Gate („integrated gate bipolar transistor,
IGBT”),
eliminiert der programmierbare Controller die mechanischen Kontakte
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais, wodurch der Verschleiß und die dazugehörigen Probleme
mit solchen Kontakten eliminiert werden.
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Der
programmierbare Controller umfasst auch zumindest ein Messelement
zum Messen von zumindest einem Parameter, der mit den Lasten und den
Festkörperschaltern
verknüpft
ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann der programmierbare Controller z. B. den Strom durch die Festkörperschalter,
den Strom durch die Lasten und den Spannungsabfall über den
Lasten und die Temperatur bei den oder um die Festkörperschalter
messen. Unter Verwendung dieser Parameter kann der programmierbare
Controller die Lasten schützen
und Festkörperschalter
vor einem Schaden schützen,
wie z. B. einem Schaden, der durch einen Überstrom, eine Überspannung,
zu hohe oder zu niedrige Temperaturzustände hervorgerufen wird.
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Der
programmierbare Controller der vorliegenden Erfindung umfasst auch
ein Verarbeitungselement, wie z. B. einen Mikrocontroller, der elektrisch mit
den Festkörperschaltern
und den Messelementen verbunden ist. Das Verarbeitungselement kann die
Festkörperschalter
steuern. Das Verarbeitungselement kann z. B. die jeweiligen Schalter
in einen Ein-Modus, bei dem der Festkörperschalter eine jeweilige
Last den Eingangsstrom empfangen lässt, oder in einen Aus-Modus
steuern, bei dem der Festkörperschalter
verhindert, dass die jeweilige Last den Eingangsstrom empfängt.
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Bei
einer Ausführungsform
kann der programmierbare Controller des Weiteren eine Speichervorrichtung
umfassen, die elektrisch mit dem Verarbeitungselement zum Speichern
einer Information relativ zu den Schaltern und/oder Lasten, zusätzlich zu
Benutzervorlieben und einer Eigenprüfinformation, verbunden ist.
Um die Operation des Verarbeitungselements zu sichern, umfasst der
programmierbare Controller bei einer anderen Ausführungsform
ein Überwachungselement,
das elektrisch mit dem Verarbeitungselement und den Festkörperschaltern
verbunden ist. Für
Fälle,
bei denen das Verarbeitungselement nicht sauber funktioniert, indem eine
Steuerung der Festkörperschalter
versagt, kann das Überwachungselement
die Festkörperschalter steuern,
um den Eingangsstrom auf ein vordefiniertes Niveau zu ändern.
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Durch
Verwenden eines Verarbeitungselements, um die Festkörperschalter
und die Messelemente zu steuern, ermöglicht der programmierbare Controller
der vorliegenden Erfindung eine Flexibilität bei der Energiesteuerung,
die bei herkömm lichen Ausschaltern
und Relais nicht zur Verfügung
steht. Unter Verwendung des Verarbeitungselements, und indem es
nahe zu den Komponenten und/oder Subsystemen platziert wird, verringert
der programmierbare Controller die Kabelmenge, die bei elektrischen Geräten erforderlich
ist, die herkömmliche
Ausschalter und/oder Relais verwenden, und überwindet die Materialbeschränkungen
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais. Durch Verringern der Länge der durch das Energiesystem
erforderlichen Verkabelung verbessert der programmierbare Controller
die Effizienz durch Verringern der parasitären Impedanz innerhalb des
Kabels. Eine Verringerung des Kabels verringert auch das Gewicht
der elektrischen Vorrichtungen.
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Das
Verwenden eines Verarbeitungselements ermöglicht es dem programmierbaren
Controller der vorliegenden Erfindung auch, die Materialbeschränkungen
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais zu überwinden.
Bei dem vorherigen Beispiel, falls eine für 5 A bemessene Last mit einem
herkömmlichen,
für 10
A bemessenen Ausschalter verbunden ist, würde der Ausschalter durch einen
neuen, für
5 A bemessenen Ausschalter ausgetauscht werden müssen, um die Last zu schützen. Durch
Verwenden des programmierbaren Controllers der vorliegenden Erfindung
muss das Verarbeitungselement lediglich für die bestimmte Last konfiguriert
werden, wie z. B. das Stromerfordernis der Last, und kann für eine andere
Last erneut konfiguriert (oder erneut programmiert) werden. Das
Verarbeitungselement kann z. B. abhängig von solchen Lasteigenschaften
wie Strom-, Spannungs- und Temperaturbemessungen der Last programmiert
und reprogrammiert werden. Das Verarbeitungselement kann auch in
Abhängigkeit
von Eigenschaften des Festkörperschalters
programmiert und erneut programmiert werden, wodurch eine noch größere Flexibilität ermöglicht wird. Zusätzlich ermöglicht ein
Verwenden eines Verarbeitungselements, um mehrere Lasten zu steuern,
einen programmierbaren Controller, der unabhängig für mehrere verschiedene Lasten
konfiguriert ist, ohne mehrere verschiedene Typen von herkömmlichen
Ausschaltern zu verwenden.
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Bei
Ausführungsformen,
die ein Schaltelement und ein Ansteuerelement umschließen, kann das
Schaltelement einen maximalen Nennstrom aufweisen und jeder Festkörperschalter
kann des Weiteren ein Schaltschutzelement umfassen, welches elektrisch
mit dem Schaltelement und dem Ansteuerelement verbunden ist. Das
Schaltschutzelement schützt
den Festkörperschalter
vor einem Überstrom durch
Abtasten eines tatsächlichen
Stroms durch das Schaltelement und durch Steuern des Eingangsstroms
an Lasten in Abhängigkeit
von dem tatsächlichen
Strom und dem maximalen Nennstrom. Das Schaltschutzelement kann
z. B. das Ansteuerelement steuern, um den Eingangsstrom an eine
jeweilige Last derart zu ermöglichen,
dass der tatsächliche Strom
durch das Schaltelement nicht größer als
der maximale Nennstrom des jeweiligen Schaltelements ist. Außerdem kann
das Schaltschutzelement, alternativ oder zusätzlich, das Ansteuerelement
steuern, um zu warten, den tatsächlichen
Strom durch das Schaltelement bis nach einer vordefinierten Zeitdauer
zu steuern, oder kann konfiguriert sein, um den Strom auf verschiedene
Weisen zu verschiedenen Zeiten oder in verschiedenen Betriebsmodi
zu konfigurieren, damit ein Einschaltstrom durch das Schaltelement
möglich
ist, wenn es initialisiert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
auch ein System zum Fernsteuern von zumindest einer Last, einschließlich eines
Hauptcontrollers zum Steuern eines Eingangsstroms an die zumindest
eine Last, und von zumindest einem Nebencontroller, der fern von
dem Hauptcontroller und unmittelbar zu den Lasten angeordnet ist,
wobei der Nebencontroller elektrisch zwischen dem Hauptcontroller
und der Last verbunden ist. Der Nebencontroller umfasst die Festkörperschalter,
die Messelemente und das Verarbeitungselement. Und bei einer Ausführungsform umfasst
das System des Weiteren eine Benutzerschnittstelle, die elektrisch
mit dem Hauptcontroller verbunden ist. Die Benutzerschnittstelle
ermöglicht es
einem Benutzer, den Eingangsstrom zu den Lasten zu steuern.
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Im
Betrieb ist das Verarbeitungselement basierend auf zumindest einer
Eigenschaft, wie z. B. einem Nennstrom von jeder Last, einer Nennspannung von
jeder Last, einem maximalen Nennstrom von jedem Schalter und/oder
einer Nenntemperatur von jedem Schalter, konfiguriert. Dann überwacht
das Verarbeitungselement, wie z. B. über die Messelemente, zumindest
einen Parameter, der mit jedem Schalter und jeder Last verknüpft ist,
wie z. B. den Eingangsstrom an die Last, einen Spannungsabfall über der Last,
den Eingangsstrom durch den Schalter und/oder eine Temperatur des
Schalters. Dann bestimmt das Verarbeitungselement einen Zustand
eines jeden Schalters und von jeder Last, und zwar in Abhängigkeit
von zumindest einer Eigenschaft der zumindest einen Eigenschaft
und von zumindest einem Parameter. Dann betätigt das Verarbeitungselement
jeden Schalter, um den Eingangsstrom zu jeder Last zu steuern, wie
z. B. durch Schalten von jedem Schalter in den Ein-Modus oder durch
Versetzen von jedem Schalter in den Aus-Modus, wobei der ausgewählte Modus
von dem Zustand der jeweiligen Last und des Schalters abhängt.
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Wie
zuvor erläutert,
kann der programmierbare Controller die Lasten und die Festkörperschalter vor
Schaden schützen,
der durch Überstrom, Überspannung,
Unterstrom, zu hohen oder zu niedrigen Temperaturbedingungen verursacht
wird. Um jeden Schalter vor plötzlich
auftretendem Überstrom
zu schützen,
kann bei Ausführungsformen,
die ein Schaltschutzelement umfassen, das Schaltschutzelement den
Zustand jedes Schalters basierend auf dem maximalen Nennstrom des
Schalters und dem Eingangsstrom durch den Schalter bestimmen und danach
den Schalter steuern. Das Schaltschutzelement kann z. B. den Schalter
in den Ein-Modus schalten, wenn der Eingangsstrom durch den Schalter nicht
größer als
der maximale Nennstrom für
diesen Schalter ist, und kann den Schalter in den Aus-Modus versetzen,
wenn der Eingangsstrom durch den Schalter den maximalen Nennstrom überschreitet. Wie
zuvor erläutert,
kann, um einen Ein-Strom zu ermöglichen,
das Schaltschutzelement, alternativ oder zusätzlich, eine vordefinierte
Zeitdauer abwarten, um es dem Einschaltstrom zu ermöglichen,
sich einzustellen, bevor überprüft wird,
um zu bestimmen, ob der Schalter in den Aus-Modus versetzt werden
sollte.
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Beim
Schützen
jeder Last vor Überströmen kann
das Verarbeitungselement des programmierbaren Controller den Zustand
jeder Last basierend auf dem Nennstrom der Last und dem Eingangsstrom
zu der Last bestimmen. Bei einer Ausführungsform, wenn der Eingangsstrom
zu einer jeweiligen Last nicht mehr als ein vorbestimmter Wert relativ
zu dem Nennstrom der Last ist, schaltet das Verarbeitungselement
den jeweiligen Schalter z. B. in den Ein-Modus. Auf der anderen
Seite jedoch betätigt
das Verarbeitungselement, wenn der Eingangsstrom zu der jeweiligen
Last den vorbestimmten Wert überschreitet, den
Schalter durch Versetzen desselben in den Aus- Modus. Gemäß der Erfindung berücksichtigt
das Verarbeitungselement eine Zeitdauer, während der die Last den Eingangsstrom
empfangen hat, wenn der Zustand der jeweiligen Last bestimmt wird.
Das Verarbeitungselement kann verschiedene Strombelastungen an dem
Schalter und/oder der Last berücksichtigen
(z. B. wenn der Eingangsstrom den vorbestimmten Wert überschreitet),
indem ein Zähler
beibehalten wird, der sich erhöht,
wenn der Eingangsstrom über
dem vorbestimmten Wert bleibt, und der sich erniedrigt, sobald der
Eingangsstrom unter den vorbestimmten Wert fällt.
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Um
jede Last vor Überspannungsbedingungen
zu schützen,
bestimmt das Verarbeitungselement bei einer Ausführungsform den Zustand von
jeder Last basierend auf der Nennspannung der Last und dem Spannungsabfall über der
Last. Falls z. B. der Spannungsabfall über einer jeweiligen Last nicht größer als
ein vorbestimmter Wert relativ zu der Nennspannung der Last ist,
schaltet das Verarbeitungselement den jeweiligen Schalter in den
Ein-Modus. Falls der Spannungsabfall den vorbestimmten Wert jedoch überschreitet,
schaltet das Verarbeitungselement den Schalter, indem es ihn in
den Aus-Modus versetzt. Um jede Last gegen Unterspannungsbedingungen
zu schützen,
kann das Verarbeitungselement den Schalter in den Ein-Modus schalten,
wenn der Spannungsabfall über
einer jeweiligen Last nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist,
und kann ihn in den Aus-Modus versetzen, wenn der Spannungsabfall
unterhalb des vorbestimmten Werts ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform schützt das
Verarbeitungselement jeden Schalter gegenüber Hitze, indem zuerst der
Zustand jedes Schalters basierend auf der Nenntemperatur des Schalters
und der Temperatur bei dem oder um den Schalter herum bestimmt wird.
Falls z. B. die Temperatur des Schalters nicht größer als
ein vorbestimmter Wert relativ zu der jeweiligen Nenntemperatur
ist, schaltet das Verarbeitungselement den jeweiligen Schalter in
den Ein-Modus; falls jedoch die Temperatur, den vorbestimmten Wert überschreitet,
versetzt das Verarbeitungselement den jeweiligen Schalter in den
Aus-Modus. Um jeden Schalter gegen Untertemperaturbedingungen zu
schützen, überwacht
das Verarbeitungselement jeden Schalter auf einen Zustand und schaltet
den Schalter dementsprechend. Wenn z. B. die Temperatur des jeweiligen
Festkörperschalters
nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist, schaltet das Verarbeitungselement
den jeweiligen Schalter in den Ein-Modus. Wenn jedoch die Temperatur unterhalb
des vorbestimmten Wert ist, versetzt das Verarbeitungselement den
Schalter in den Aus-Modus.
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Die
vorliegende Erfindung sieht deshalb einen programmierbaren Controller
vor, der mit einem entfernten Hauptcontroller verbunden werden kann, wobei
der programmierbare Controller einen Eingangsstrom an zumindest
eine Last steuern kann. Der programmierbare Controller ermöglicht mehrere Vorteile
gegenüber
herkömmlichen
Ausschaltern und Relais, indem ein Festkörperschalter und ein Verarbeitungselement
verwendet wird. Durch Umfassen von Festkörperschaltern eliminiert der
programmierbare Controller die problematischen mechanischen Kontakte
herkömmlicher
Ausschalter und Relais. Durch Verwenden eines Verarbeitungselements
ermöglicht
der programmierbare Controller eine Flexibilität hinsichtlich einer Energiesteuerung,
die bei herkömmlichen
Ausschaltern oder Relais nicht zur Verfügung steht. Der programmierbare
Controller kann gleichzeitig die Lasten und Schalter hinsichtlich des
Stroms durch die Lasten und/oder Schalter, den Spannungsabfall über den
Lasten und/oder die Temperatur der Schalter messen und überwachen.
Unter Verwendung eines Verarbeitungselements und durch Anordnen
desselben nahe den Lasten kann der programmierbare Controller die
Kabelmenge verringern, die für
Energiesysteme erforderlich ist, die die vorliegende Erfindung verwenden,
was wiederum eine parasitäre
Impedanz in dem Kabel und das Gewicht des Systems verringert. Das
Verarbeitungselement ermöglicht
es dem programmierbaren Controller der vorliegenden Erfindung auch,
die Materialbegrenzungen herkömmlicher
Ausschalter und Relais zu überwinden
und viele verschiedene Lasttypen zu betreiben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachdem
die Erfindung mit allgemeinen Begriffen beschrieben wurde, wird
nun auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen werden, die nicht unbedingt im Maßstab gezeichnet
sind, und wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Systems zum Fernsteuern von zumindest einer
Last gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Blockdiagramm eines programmierbaren Controllers einschließlich eines
einzigen Festkörperschalters
und Mehrfachmessvorrichtungen gemäß einer Ausführungsform
darstellt;
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3 ein
Blockdiagramm eines Festkörperschalters
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 einen
Graph darstellt, der eine charakteristische Auslösekurve für eine jeweilige Last und verschiedene
Stromparametermessungen für
die jeweilige Last veranschaulicht;
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5 ein
schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines programmierbaren
Controllers der vorliegenden Erfindung einschließlich mehreren Festkörperschaltern
und mehrerer Messvorrichtungen darstellt;
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6 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fernsteuern eines Eingangsstroms
von einem Hauptcontroller durch zumindest einen Schalter an zumindest
eine Last gemäß einer
ersten Ausführungsform
darstellt; wobei das Verfahren hinsichtlich eines jeweiligen Schalters
und einer Last veranschaulicht ist, obwohl der Hauptcontroller eine
Steuerung des Eingangsstroms an mehrere Lasten durch mehrere Schalter
steuern kann und dies vorzugsweise tut;
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7 ein
schematisches Schaltdiagramm darstellt, welches eine beispielhafte
Konfiguration eines Schaltelements und eines Ansteuerelements des Festkörperschalters
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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8 ein
schematisches Schaltdiagramm darstellt, welches eine beispielhafte
Konfiguration des Schaltschutzelements veranschaulicht, welches über Knoten 8A und 8B der
Beispielkonfiguration verbunden ist, die in 7 veranschaulicht
ist;
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9 ein
schematisches Schaltdiagramm darstellt, welches eine beispielhafte
Konfiguration des Strommesselements veranschaulicht, welches über Knoten 9A und 9B der
Beispielkonfiguration verbunden ist, die in 7 veranschaulicht
ist; und
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10 ein
schematisches Schaltdiagramm darstellt, welches eine beispielhafte
Konfiguration des Spannungsmesselements veranschaulicht, welches
mit einem Knoten 10A der Beispielkonfiguration verbunden
ist, die in 7 veranschaulicht ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung könnte jedoch in vielen verschiedenen
Formen verkörpert
werden und sollte nicht als auf die hier ausgeführten Ausführungsformen beschränkt angesehen
werden; diese Ausführungsformen
werden vielmehr dazu bereitgestellt, dass diese Offenbarung ernsthaft
und vollständig
ist, und werden dem Fachmann den Schutzumfang der Erfindung vollständig vermitteln.
Gleiche Ziffern beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
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1 stellt
eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der Implementierung
des programmierbaren Controllers der vorliegenden Erfindung dar.
Diese Veranschaulichung ist derart vorgesehen, dass ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung gewonnen werden kann. Es versteht sich,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration begrenzt
ist und in vielen verschiedenen Energiesystemen verkörpert sein
könnte.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Energiesystem gezeigt,
bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird. Das System, welches üblicherweise
verwendet wird, um Vorrichtungen an Bord von Flugzeugen und Autos
mit Energie zu versorgen, umfasst einen programmierbaren Controller
(d. h. einen Nebencontroller) 10, der anschließend an
zumindest eine Last 14 angeordnet und elektrisch mit derselben verbunden
ist, wie z. B. eine oder mehrere elektrische Komponenten, Systeme
und/oder Subsysteme. Der programmierbare Controller kann z. B. verwendet
werden, um elektrische Motoren und Servomotoren anzusteuern, wodurch
hydraulische Vorrichtungen mit häufiger
Wartung ersetzt werden. Durch Verwenden eines programmierbaren Controllers,
um mehrere Lasten zu steuern, und durch Anordnen des Controllers
nächst
zu den Lasten, im Gegensatz zu einer zentralen, menschlich zugänglichen
Stelle, wird eine Verkabelung im System verringert, was wiederum
eine parasitäre
Impedanz im System verringert, und das Gewicht des Systems verringert
sich. Der programmierbare Controller kann elektrisch mit einem entfernten
Hauptcontroller 12 verbunden sein, wie z. B. mit einem
Großprozessor
oder -computer, der den Eingangsstrom zu den Lasten durch den programmierbaren
Controller steuert. Obwohl der programmierbare Controller elektrisch
mit dem Hauptcontroller verbunden sein kann, kann der programmierbare
Controller zusätzlich,
oder alternativ, konfiguriert sein, um unabhängig von dem Hauptcontroller oder
einem anderen Controllertyp betrieben zu werden. Der programmierbare
Controller und der entfernte Hauptcontroller können jeweils Leistung aus einer
Vielzahl von Quellen ziehen, wie sie dem Fachmann z. B. bekannt
sind. Bei Vorrichtungen, wie z. B. Flugzeugen und Autos, können der
programmierbare Controller und der entfernte Hauptcontroller z.
B. zusätzlich
zu den Lasten Leistung aus dem existierenden Energiebus der Vorrichtung
ziehen. Zusätzlich, oder
alternativ, können
der programmierbare Controller und/oder der Hauptcontroller mit
einer selbstständigen
Energiequelle verbunden sein, die Energie an den programmierbaren
Controller und/oder den Hauptcontroller liefert. Der Hauptcontroller
des Systems kann zusätzlich
mit verschiedenen anderen elektrischen Systemen innerhalb verschiedener
Vorrichtungen verbunden sein. Bei der Automobilindustrie kann der
Hauptcontroller z. B. mit dem Fahrzeugverwaltungssystem verbunden
sein und Weisungen des Fahrzeugverwaltungssystems an die Lasten
auf eine autonome Weise ausführen.
Es versteht sich, dass ein einziger Hauptcontroller, obwohl das
veranschaulichte System einen programmierbaren Controller zeigt,
der elektrisch mit dem Hauptcontroller verbunden ist, elektrisch
mit mehreren entfernten, programmierbaren Controllern verbunden
sein kann, und vorzugsweise auch ist, ohne den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Wie
zuvor erwähnt,
steuert der Hauptcontroller 12 den Eingangsstrom an die
Lasten 14 durch den programmierbaren Controller 10.
Der programmierbare Controller als solcher kann als Energierelais oder
Ausschalter verwendet werden, abhängig von der gewünschten
Anwendung und der angeschlossenen Lasttypen. Wie unten unter Bezugnahme
auf den programmierbaren Controller erläutert, der die Lasten steuert,
steuert der Hauptcontroller den programmierbaren Controller durch
kontinuierliches Überwachen
des programmierbaren Controllers, wobei der Ausgangsstrom aus dem
programmierbaren Controller an die Lasten, wie z. B. bei Ein- und
Aus-Modus, gesteuert
wird, die verschiedenen Systemparameter, wie z. B. Strom, Spannung
und Temperaturgrenzen, ausgewählt
werden und die verschiedenen Systemparameter in den programmierbaren
Controller hineinprogrammiert werden. Alternativ, oder zusätzlich, kann
der programmierbare Controller vor einem Einbau in eine Vorrichtung
vorprogrammiert werden und frei von einer Steuerung von dem Hauptcontroller laufen.
Deshalb wird durch die ganze Beschreibung der vorliegenden Erfindung
hindurch lediglich Bezug auf den programmierbaren Controller genommen.
Es versteht sich jedoch, dass die Steuerungsmerkmale des programmierbaren
Controllers durch den Hauptcontroller und/oder den programmierbaren
Controller durchgeführt
werden können.
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Bezugnehmen
auf 2 umfasst der programmierbare Controller 10 der
vorliegenden Erfindung ein Verarbeitungselement 28. Das
Verarbeitungselement kann aus einer Vielzahl von Prozessoren ausgewählt sein,
wie z. B. der PIC17C752-Microcontroller,
der von Microchip Technology Inc. hergestellt wird. Das Verarbeitungselement überwacht
und steuert die Funktionen von zumindest einem, und vorzugsweise
mehreren Festkörperschaltern 20,
wie nachfolgend erläutert.
Das Verarbeitungselement überwacht
und steuert die Funktionen der Schalter jedoch nicht nur, das Verarbeitungselement
bestimmt auch einen Zustand der Schalter und/oder der Lasten, indem
Berechnungen in der Firmware unter Verwendung zuvor konfigurierter
Eigenschaften und gemessener Parameter der Schalter und/oder Lasten durchgeführt werden.
Das Verarbeitungselement ermöglicht
es dem programmierbaren Controller, dem Energiesystem der vorliegenden
Erfindung eine Flexibilität
zu ermöglichen,
die mit herkömmlichen
Ausschaltern oder Relais nicht zur Verfügung steht. Durch Emulieren
der Materialbeschränkungen
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais mit einer Firmware überwindet das Verarbeitungselement
des programmierbaren Controllers die Materialbeschränkungen
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais, indem es die Fähigkeit aufweist, das Verarbeitungselement
für verschiedene
Lasten umzuprogrammieren, im Gegensatz zu einem Ändern diskreter Komponenten
(d. h. von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais). Der programmierbare Controller ermöglicht es
auch, dass eine breite Vielfalt von Energiesteuerimplementierungen
programmiert werden können
und durch das System auswahlbar gemacht werden, wie z. B. verschiedene
Implementierungen einer Auslösekurve.
Zusätzlich
kann das Verarbeitungselement eine Bedienperson warnen, falls ein
gefährlicher
Zustand angetroffen wird, oder das Verarbeitungselement kann den
jeweiligen Schalter dementsprechend automatisch steuern.
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Der
programmierbare Controller 10 umfasst auch zumindest einen,
und vorzugsweise mehr als einen, Festkörperschalter 20, wobei
jeder mit einer jeweiligen Last 14 verbunden ist. Während die
Veranschaulichung der 2 lediglich einen einzigen Festkörperschalter
veranschaulicht, versteht es sich, dass die Figur lediglich zu Veranschaulichungszwecken
gedacht ist und nicht dazu herangezogen werden sollte, um den Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung zu begrenzen. Bei einer Ausführungsform, die
in 3 veranschaulicht ist, umfasst jeder Festkörperschalter
ein Schaltelement 26, ein Ansteuerelement 24 und
ein Schaltschutzelement 22. Während das Schaltelement eine
beliebige Anzahl von verschiedenen Festkörperschaltern, wie z. B. einen MOSFET
oder einen IGBT, aufweisen kann, bewirkt das Schaltelement, den
Eingangsstrom zu der jeweiligen Last zu ändern, die üblicherweise entweder in einem
Ein-Modus, wobei das Schaltelement die jeweilige Last einen Eingangsstrom
empfangen lässt, oder
in einem Aus-Modus betreibt, wobei das Schaltelement verhindert,
dass die jeweilige Last den Eingangsstrom empfängt. Wie zuvor festgestellt,
eliminiert ein Festkörperschalter
die mechanischen Kontakte von herkömmlichen Ausschaltern und Relais, was
wiederum den Verschleiß und
andere Probleme eliminiert, die mit mechanischen Kontakten verbunden
sind.
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Der
Festkörperschalter 20 umfasst
auch ein Ansteuerelement 24, dass den Eingangsstrom an das
Schaltelement 26 liefert, und weist typischerweise eine
Schaltung auf, die aus herkömmlichen
elektrischen Komponenten gebildet ist, wie z. B. aus Widerständen, Dioden
und Transistoren. Zusätzlich könnte der
Festkörperschalter
ein Schaltschutzelement 22 umfassen, das das Schaltelement
gegen spontane Überstromzustände schützt, die
das Schaltelement schädigen
könnten.
Das Schaltschutzelement kann eine beliebige Anzahl von verschiedenen Konfigurationen
aufweisen, aber üblicherweise
weist es, wie das Ansteuerelement, herkömmliche elektrische Komponenten
auf, wie z. B. Dioden, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren.
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Im
Betrieb tastet das Schaltschutzelement 22 einen tatsächlichen
Strom durch das Schaltelement 26 ab. Falls der tatsächliche
Strom über
einem vorbestimmten Wert liegt, wie z. B. einem maximalen Nennstrom
des Schaltelements, ändert
das Schaltschutzelement den tatsächlichen
Strom durch das Schaltschutzelement derart, dass der tatsächliche Strom
nicht größer als
der vorbestimmte Wert ist, wobei üblicherweise das Schaltelement
in den Aus-Modus versetzt wird. In einigen Fällen, wenn der Festkörperschalter 20 beim
Anlaufen initialisiert wird, fließt ein Einschaltstrom des tatsächlichen
Stroms durch das Schaltelement. Während dieser Strom jedoch über dem
vorbestimmten Wert liegen könnte, stellt
er sich typischerweise innerhalb einer recht kurzen Zeit auf einem
Niveau bei dem oder unterhalb des vorbestimmten Werts ein. Um diesem
Einschaltstrom Rechnung zu tragen und um das Schaltschutzelement
daran zu hindern, den Eingangsstrom vorzeitig zu ändern, ist
das Schaltschutzelement einer Ausführungsform dazu in der Lage,
eine vorbestimmte Zeitdauer zu warten, bevor der Pegel eines Stroms durch
das Schaltelement überwacht
wird. Diese vorbestimmte Zeitdauer ermöglicht es, dass sich der Strompegel
auf einen konstanteren Betriebspegel einstellt, bevor das Schaltschutzelement
das Schaltelement hinsichtlich momentaner Überstromsituationen überwacht.
Zusätzlich,
oder alternativ, kann das Schaltschutzelement konfiguriert sein,
um den tatsächlichen
Strom auf verschiedene Weisen zu verschiedenen Zeiten oder in verschiedenen
Betriebsmodi zu steuern. Das Schaltschutzelement kann z. B. konfiguriert
sein, um den vorbestimmten Wert zu verringern, bei dem ein Strom
von einem ursprünglichen,
erhöhten
Wert auf einen stabilen, konstanten Wert am Ende der vorbestimmten
Zeitdauer unterbrochen wird.
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Bezugnehmend
auf 2 umfasst der programmierbare Controller der vorliegenden
Erfindung zumindest, und insbesondere mehr als, ein Messelement,
das verschiedene Zustände
der Lasten 14 und der Festkörperschalter 20 misst.
Der programmierbare Controller könnte
z. B. ein Strommesselement 30 und/oder ein Spannungsmesselement 32 umfassen, die
den Eingangsstrom durch und den Spannungsabfall über einer jeweiligen Last messen.
Zusätzlich könnte der
programmierbare Controller ein Temperaturmesselement 34 umfassen,
das die Temperatur bei oder um den Festkörperschalter misst. Das Strommesselement
und das Spannungsmesselement werden typischerweise aus herkömmlichen elektrischen
Komponenten gebildet, wie z. B. aus Widerständen, Kondensatoren und Operationsverstärkern. Auch
die Temperaturmessvorrichtung kann aus einer beliebigen Anzahl von
Vorrichtungen hergestellt werden, wie z. B. aus dem digitalen Temperatursensor
LM75, der von National Semiconductor hergestellt wird. Im Betrieb
schützen
die Messelemente die Lasten 14 und/oder die Festköperschalter 20 vor ungewünschten
Zuständen,
wie z. B. Überstrom, Über- und
Unterspannung und Über-
und Untertemperaturzuständen,
indem diese gemessenen Parameter mit vorbestimmten Werten für die jeweilige Last
und/oder den jeweiligen Schalter verglichen werden. Der für jede Last
vorbestimmte Wert könnte z.
B. auf Materialeigenschaften der Last basieren, wie z. B. einem
maximalen Nennstrom, einer maximalen Nennspannung oder einer minimalen
Betriebsspannung. Der vorbestimmte Temperaturwert für jeden
Festkörperschalter
könnte
z. B. auch eine maximale Nenntemperatur für den jeweiligen Festkörperschalter
aufweisen, bei der, wenn sie überschritten
wird, dem Festkörperschalter
einen Schaden zufügt
wird. Außerdem
kann der vorbestimmte Wert, der auf einer Nennstromeigenschaft oder
einer Nennspannungseigenschaft basiert, zusätzlich den vorbestimm ten Temperaturwert
berücksichtigen,
da sich die Strom- und Spannungseigenschaften von verschiedenen
Lasten typischerweise über
einen Temperaturbereich ändern.
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Bezugnehmen
auf 4 vergleicht das Verarbeitungselement 28 typischerweise
die gemessenen Parameter mit den vorbestimmten Werten, indem zuerst
eine Modellauslösekurve 50 konstruiert wird,
die eine Vielzahl von gemessenen Parameterwerten zu verschiedenen
Zeitpunkten aufweist. Das Verarbeitungselement vergleicht die Modellauslösekurve
mit einer charakteristischen Auslösekurve 52 für die jeweilige
Last und/oder den Schalter. Die charakteristische Auslösekurve
ist typischerweise basierend auf einer Eigenschaft des Schalters
und/oder der Last vordefiniert, die mit dem besonderen Parameter
verknüpft
ist, wie z. B. eine charakteristische Nennstromauslösekurve,
die mit dem gemessenen Eingangsstrom durch den Schalter und/oder
zu der Last verknüpft
ist. 4 veranschaulicht eine charakteristische Auslösekurve
entlang einer konstruierten Modellauslösekurve für einen Schalter und/oder eine
Last mit einem Nennstrom von 10 A. Obwohl es nicht veranschaulicht
ist, kann die charakteristische Auslösekurve zusätzlich basierend auf einer
Kombination von verschiedenen Parametern vordefiniert sein, die
sich mit dem Schalter und/oder der Last in Abhängigkeit von der Temperatur
des Schalters und/oder der Last ändern
können.
Die charakteristische Auslösekurve
wird durch das Verarbeitungselement oder eine zugeordnete Speichervorrichtung 40 (veranschaulicht
in 5 und nachfolgend erläutert) gespeichert, wodurch
jegliche Auslösekurvenimplementierung
ermöglicht
wird, wie z. B. I2T und abgestuft („tiered”). Die
vorbestimmten Werte der charakteristischen Auslösekurve werden definiert, um
den Festkörperschalter
und/oder die Last daran zu hindern, zulange in einem gefährlichen
Bereich 56 zu arbeiten. Durch Referenzieren der charakteristischen Auslösekurve
kann das Verarbeitungselement den gemessenen Parameter in einem
sicheren Bereich 58 halten, wie z. B. unterhalb des Nennstroms
des Schalters und/oder der Last, und den Schalter ausschalten, bevor
der Schalter und/oder die Last durch Kreuzen eines kritischen Punkts 54 auf
der charakteristischen Auslösekurve
beschädigt
werden kann bzw. können.
Falls der durch das jeweilige Messelement gemessene Zustand außerhalb
des Bereichs der vorbestimmten Werte oder oberhalb der vorbestimmten
Werte fällt
oder, wie häufiger,
falls anzunehmen ist, dass die Modellauslösekurve, die durch das Verarbeitungselement
basierend auf dem gemessenem Parameter oder den gemessenen Parametern konstruiert
ist, den kritischen Punkt auf der charakteristischen Auslösekurve
erreicht, ändert
das Verarbeitungselement den Eingangsstrom durch den Festkörperschalter
dementsprechend. Falls z. B. das Verarbeitungselement in Verbindung
mit dem Messelement bestimmt, dass der Eingangsstrom zu der Last bei
oder oberhalb eines gewissen Pegels länger als die maximale Zeit,
die von der charakteristischen Auslösekurve innerhalb einer vordefinierten
Zeitdauer zugelassen ist, bleiben wird, kann das Verarbeitungselement
den Eingangsstrom ändern,
um den gemessenen Strom in den vorbestimmten Wertebereich oder unterhalb
den vorbestimmten Wert bringen, oder das Verarbeitungselement kann
den Festkörperschalter
vorzugsweise in den Ein-Modus oder den Aus-Modus versetzen.
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Gemäß der Erfindung,
wenn der Eingangsstrom zu dem Schalter und/oder der Last einen gewissen
Pegel, wie z. B. einen maximalen Nennstrom bzw. einen Nenneingangsstrom,
erreicht oder überschreitet,
erhöht
das Verarbeitungselement wiederholt einen Zähler. Falls der Zähler einen
vorbestimmten Schwellenwert überschreitet,
der für
die vordefinierte Zeitdauer repräsentativ
ist, kann das Verarbeitungselement den Eingangsstrom ändern, um
den Eingangsstrom unter den gewissen Pegel zu verringern, wie z.
B. durch Versetzen des Schalters in den Aus-Modus. Falls sich jedoch
der Eingangsstrom zu der Last unter den bestimmten Pegel verringert,
bevor der Zähler
den Schwellenwert überschreitet,
wird das Verarbeitungselement wiederholt den Zähler verringern. In dieser
Hinsicht kann das Verarbeitungselement vorherige Strombeanspruchungen
(z. B. einen Überstrom)
zu dem Schalter und/oder der Last berücksichtigen, sollte der Schalter
und/oder die Last eine nachfolgende Strombeanspruchung erfahren, bevor
der Zähler
die Null erreicht, da der Zähler
wieder anfangen würde,
aufwärts
zu zählen,
obwohl er nicht von Null, sondern von einem Wert startet, der für die restliche
Beanspruchung des Schalters und/oder der Last repräsentativ
ist.
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Wie
in 5 veranschaulicht, umfasst der programmierbare
Controller 10 der vorliegenden Erfindung vorzugsweise das
Verarbeitungselement 28, welches elektrisch mit mehreren
Festkörperschaltern 20 verbunden
ist, wobei jeder einen Satz aus Strommesselementen 30 und
Spannungsmesselementen 32 aufweist, und wobei jeder einen
Ausgangsstrom an eine jeweilige Last 14 vorsieht. Durch
nahes Aneinanderplatzieren von zwei Festkörperschaltern können mehrere
Festkörperschalter
parallel verwendet werden, um den Ausgangsnennstrom zu einem einzelnen
Festkörperschalter
zu verdoppeln oder auf sonstige Weise zu erhöhen. Wie veranschaulicht, kann
der programmierbare Controller aufgrund der Nähe der Komponenten des programmierbaren
Controllers und aufgrund des leichten Abfalls einer Festkörperschaltertemperatur über dem
Bereich des programmierbaren Controllers ein einzelnes Temperaturmesselement 34 umfassen,
welches nahe zu mehreren Festkörperschaltern
angeordnet ist. Es versteht sich, dass jedoch mehrere Temperaturmesselemente
umfasst sein können,
wobei jedes die Temperatur eines jeweiligen Festkörperschalters messen
kann, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Obwohl
es nicht veranschaulicht ist, erzeugen die Ausgänge der Messelemente typischerweise ein
analoges Signal zum Eingeben in das Verarbeitungselement 28.
Abhängig
vom verwendeten Verarbeitungselementtyp könnte der programmierbare Controller 10 zusätzlich einen
oder mehrere Analog-Digital-Wandler („analog-to-digital, A/D”) umfassen, um die analogen
Signale von den Messelementen in digitale Signale zum Eingeben in
das Verarbeitungselement zu wandeln. Der programmierbare Controller
könnte
auch ein Überwachungselement 42 aufweisen.
Das Verarbeitungselement pulst das Überwachungselement, um eine
richtige Leistung des programmierbaren Controllers sicherzustellen. Für den Fall,
dass das Verarbeitungselement versagt, richtig zu funktionieren,
indem der Eingangsstrom nicht gesteuert wird, wie z. B. wenn sich
die Firmware-Schleife aufhängt
oder das Verarbeitungselement versagt, übernimmt das Überwachungselement
eine Steuerung der Schalter 20, um den Eingangsstrom auf
ein vordefiniertes Niveau zu ändern. Das Überwachungselement
kann z. B. die Schalter in den Aus-Modus versetzen und sie daran
hindern, in dem Ein-Modus betrieben zu werden, bis es angewiesen
wird. Das Überwachungselement
kann z. B. auch die Schalter entweder in einen Ein-Modus steuern
oder andererseits den Eingangsstrom auf ein vordefiniertes Niveau ändern. Zusätzlich zu
dem Überwachungselement
könnte
der programmierbare Controller auch eine oder mehrere Speichervorrichtungen 40 umfassen,
wie z. B. EEPROMs für
einen nicht flüchtigen
Speicher und/oder einen Programmspeicher. Der nicht flüchtige Speicher
könnte
verwendet werden, um eine ursprüngliche
Zustandsinformation für
das Verarbeitungselement, die Schalter und/oder die Lasten zu speichern,
wie z. B. die charakteristischen Auslösekurven für die verschiedenen Schalter und/oder
Lasten. Zusätzlich
kann der nicht flüchtige Speicher
verwendet werden, um Statussignale für die Schalter und/oder die
Lasten zur späteren
Verwendung durch den programmierbaren Controller oder zum späteren Übermitteln
an den Hauptcontroller 12 speichern.
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Bezugnehmend
auf 6 beginnt ein Verfahren zum Fernsteuern des Eingangsstroms
von dem Verarbeitungselement 28 durch jeden Schalter 20 an
jede Last 14, gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, durch Konfigurieren der Firmware des Verarbeitungselements
basierend auf den gewünschten
Eigenschaften der Schalter und Lasten, wie z. B. Nennstrom und Nennspannung
von jeder Last, einem maximalen Nennstrom von jedem Schalter und/oder
eine Nenntemperatur von jedem Schalter (Block 100). Die
Firmware kann z. B. mit den charakteristischen Auslösekurven
konfiguriert werden, die typischerweise basierend auf den Eigenschaften
des Schalters und/oder der Last vordefiniert sind. Zusätzlich können die
charakteristischen Auslösekurven
basierend auf einer Kombination der verschiedenen Eigenschaften
des Schalters und/oder der Last vordefiniert werden, wie z. B. basierend
auf der Temperatur des Schalters und/oder der Last zusammen mit
einem anderen Parameter des Schalters und/oder der Last, da viele
Parameter des Schalters und/oder der Last abhängig von der Temperatur des
Schalters und/oder der Last variieren können. Somit können verschiedene
charakteristische Auslösekurven
abhängig
von der Temperatur des Schalters verwendet werden. Zusätzlich,
oder alternativ, können
die Eigenschaften von jedem Schalter, die einen Strom durch den
Schalter betreffen, wie z. B. den maximalen Nennstrom, in dem jeweiligen
Schaltschutzelement 22 konfiguriert sein, um den tatsächlichen
Strom durch den jeweiligen Schalter zu überwachen. Vorteilhafterweise
kann das Verarbeitungselement durch Konfigurieren des Verarbeitungselements
mit den Eigenschaften der Schalter und der Lasten, falls ein Schalter
oder eine Last mit verschiedenen Eigenschaften mit dem Energiesystem
verbunden ist, rekonfiguriert werden, wie z. B. durch Konstruieren
und Speichern der charakteristischen Auslösekurven, die mit dem anderen
Schalter oder der Last verknüpft
sind, im Gegensatz zu einem Ersetzen der diskreten Komponenten von
herkömmlichen
Ausschaltern und Relais.
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Nachdem
das Verarbeitungselement 28 konfiguriert wurde, wird jeder
Schalter 20, wie gewünscht,
in dem Ein-Modus betrieben, um den Eingangsstrom an die jeweilige
Last 14 zu liefern (Block 102). Da der Schalter
in dem Ein-Modus betrieben wird, tastet das Schaltschutzelement
den tatsächlichen
Strom durch den Schalter ab (Block 104). Falls der tatsächliche
Strom über
einem vorbestimmten Wert liegt, wie z. B. dem maximalen Nennstrom
des Schalters, kann das Schaltschutzelement eine vorbestimmte Zeitdauer
warten, damit sich ein Einschaltstrom auf ein stabiles Niveau einstellen
kann (Block 106 und 108). Zusätzlich, oder alternativ, kann
das Schaltschutzelement konfiguriert sein, um den tatsächlichen
Strom zu verschiedenen Zeiten oder in verschiedenen Betriebsmodi
zu steuern. Das Schaltschutzelement und/oder das Verarbeitungselement kann
z. B. konfiguriert sein, um den vorbestimmten Wert von einem ursprünglich erhöhten Wert
auf einen stabilen Wert am Ende der vorbestimmten Zeitdauer zu verringern.
Falls der tatsächliche
Strom nach der vorbestimmten Zeitdauer noch über dem vorbestimmten Wert
liegt, verringert das Schaltschutzelement den tatsächlichen
Strom, wie z. B. durch Versetzen des Schalters in den Aus-Modus
(Block 111 und 126). Für den Fall, dass der tatsächliche
Storm unterhalb des vorbestimmten Werts ist, und zwar entweder ursprünglich oder
nach der vorbestimmten Zeitdauer, überwacht das Schaltschutzelement
kontinuierlich den tatsächlichen
Strom, um sicherzustellen, dass der tatsächliche Strom unter dem vorbestimmten
Wert bleibt (Block 110 und 111).
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Da
das Schaltschutzelement 22 den Schalter 20 auf
eine Überstromsituation überwacht,
tastet das Verarbeitungselement 28 den Strom und/oder die Spannung
durch und/oder über
die Last 14 periodisch ab und tastet die Temperatur des
Schalters oder um den Schalter herum ab, um einen Zustand der Last
und/oder des Schalters zu erhalten (Block 112). Der Zustand
wird dann durch Vergleichen des Stroms, der Spannung und/oder der
Temperatur mit den durch das Verarbeitungselement vordefinierten Eigenschaften
bestimmt.
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Das
Verarbeitungselement kann bestimmen, ob im Schalter ein Übertemperatur-(Block 114)
oder ein Untertemperatur(Block 116)-Zustand existiert. Falls
dem so ist, kann das Verarbeitungselement den Eingangsstrom dementsprechend ändern. Das
Temperaturmesselement kann z. B. die Lufttemperatur bei dem Schalter
oder um den Schalter messen und die gemessene Temperatur mit den
vorbestimmten Werten für
den gewünschten
Temperaturbereich vergleichen, wie z. B. mit kritischen Temperaturgrenzen. Falls
die gemessene Temperatur unterhalb oder oberhalb des gewünschten
Temperaturbereichs liegt, kann das Verarbeitungselement den jeweiligen Schalter
in den Aus-Modus versetzen, um zu verhindern, dass der Schalter
beschädigt
wird oder dass die jeweilige Last beschädigt wird (Block 126).
Alternativ kann das Verarbeitungselement verschiedene charakteristische
Auslösekurven
basierend auf anderen Parametern konstruieren, um die Temperatur
bei dem Schalter oder um den Schalter basierend auf Eigenschaften
des Schalters zu emulieren, die sich im Verhältnis zu der Temperatur des
Schalters ändern.
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Das
Verarbeitungselement kann auch bestimmen, ob ein Überspannungs-(Block 120)
oder ein Unterspannungs-(Block 122)-Zustand bei der Last 14 existiert
und kann den Eingangsstrom dementsprechend ändern. Falls der gemessene
Spannungsabfall über
einer jeweiligen Last z. B. außerhalb
des vorkonfigurierten Spannungsbereichs für die jeweilige Last fällt, kann
das Verarbeitungselement den Eingangsstrom ändern, um den Spannungsabfall
innerhalb der gewünschten
Pegel zu platzieren oder kann den jeweiligen Schalter 20 in den
Aus-Modus versetzen.
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Das
Verarbeitungselement 28 kann auch bestimmen, ob eine Überstrombedingung
(Block 124) bei der Last 14 existiert, und, falls
dem so ist, den Eingangsstrom unter das vorbestimmte Niveau ändern. Das
Verarbeitungselement kann z. B. eine Modellauslösekurve 50 unter Verwendung
einer Vielzahl von gemessenen Parameterwerten bei verschiedenen
Zeitpunkten bestimmen. Das Verarbeitungselement vergleicht die Modellauslösekurve
mit der charakteristischen Auslösekurve 52 für die jeweilige
Last und/oder den Schalter 20. Die vorbestimmten Werte in
der charakteristischen Auslösekurve
sind definiert, um zu verhindern, dass der Schalter zu lang in dem gefährlichen
Bereich 56 betrieben wird. Zusätzlich kann das Verarbeitungsele ment
vorherige Strombeanspruchungen (z. B. vorherige Schaltoperationen
in dem gefährlichen
Bereich) durch Beibehalten eines Zählers berücksichtigen. Da der Schalter
in dem gefährlichen
Bereich betrieben wird, erhöht
das Verarbeitungselement wiederholt den Zähler. Und falls der Schalter
dazu zurückkehrt,
außerhalb
des gefährlichen
Bereichs zu arbeiten, bevor der Zähler eine vorbestimmten Schwellenwert
(der für
die maximale Zeitdauer repräsentativ
ist, während
der Schalter im gefährlichen
Bereich betrieben werden kann), kann das Verarbeitungselement wiederholt
den Zähler
verringern, solange der Schalter außerhalb des gefährlichen
Bereichs bleibt, wie zuvor beschrieben. Durch Bezugnehmen auf die
charakteristische Auslösekurve
kann das Verarbeitungselement den Schalter ausschalten, bevor der
Schalter und/oder die Last beschädigt
werden können,
wie z. B. durch Versetzen des Schalters in den Aus-Modus (Block 126).
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7, 8, 9 und 10 veranschaulichen
beispielhafte Konfigurationen des Festkörperschalters 20,
einschließlich
des Ansteuerelements 24 und des Schaltelements 26 (7),
und des Schaltschutzelements 22 (8), des
Strommesselements 30 (9) und des
Spannungsmesselements 32 (10). 7 veranschaulicht
eine beispielhafte Anordnung von herkömmlichen elektrischen Komponenten,
die das Ansteuerelement und das Schaltelement des Festkörperschalters
umfassen. Das veranschaulichte Schaltelement ist ein N-Kanal-MOSFET
für Oberspannung
Q3, der mit seiner Source als Sourcefolger wirkt, die den Schaltelementausgang
darstellt, der seinem Gate nachfolgt. Das Ansteuerelement ist aus
einer Pull-Up-Ansteuerung und einer Pull-Down-Ansteuerung gebildet.
Die Pull-Up-Ansteuerung kommt von zwei Transistoren Q7 und Q9. In
dem veranschaulichten Beispiel stellt Q7 einen Folgerverbundenen
NPN-Transistor dar, der durch einen Ausgang CH_ON des Verarbeitungselements 28 angesteuert
wird. Der andere Transistor Q9 ist ein für Hochspannung bemessener Basis-PNP-Transistor, über dem
die gesamte Spannungsschwingung des NPN-Transistors Q7 auftritt. Der
Ausgang des PNP-Transistors Q9 ist mit dem Gate des MOSFET Q3 verbunden.
Die Pull-Down-Ansteuerung wird durch einen weiteren PNP-Transistor
Q10 gebildet, der die Ausgangsspannung herunterzieht, die Last entlädt und die
Lastspannung niedrig hält.
Eine Diode D7 verhindert jeglichen Stromfluss zurück durch
Teile der Pull-Up-Ansteuerung und stellt sicher, dass der PNP-Transistor Q10
sich nicht einschaltet, während
sich der MOSFET Q3 in dem Ein-Modus
befindet.
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8 veranschaulicht
eine beispielhafte Konfiguration des Schaltschutzelements 22,
das mit Knoten 8A und 8B des Ansteuerelements 24 und
des Schaltelements 26 verbunden ist, die in 7 veranschaulicht
sind. Das Schaltschutzelement verwendet einen Basis-Emitter-Typ,
der von einem Abtast-NPN-Transistor Q4b über einen Widerstand R11 (in 7 veranschaulicht)
abtastet. Ein anderer NPN-Transistor
Q4a ist mit einer Diode verbunden und stellt einen angepassten Paartransistor
mit einem Abtasttransistor Q4b dar. Ein Verwenden eines angepassten
Paartransistors, der als Diode verbunden ist, verschiebt den Basis-Emitter-Abfall über dem Abtasttransistor
Q4b und ermöglicht
die Verwendung eines niederwertigen Widerstands R11. Das Verarbeitungselement 28 sendet
einen Strom ILIMIT durch ein R2R-Widerstand-Leiternetzwerk
mit einem Kondensator C11 und mit einem Widerstand R18, die zusammen
mit dem R2R-Netzwerk eine konstante Spannung erzeugen, die proportional
zu dem vorbestimmten Stromwert im Vergleich zu dem tatsächlichen
Strom ist, der durch das Stromschutzelement gemessen wird. Zusätzlich wird
die RC-Konstante des
R2R-Netzwerks verwendet, um vorbestimmte Zeit zu bestimmen, während der
das Schaltschutzelement warten wird, oder um den vorbestimmten Stromwert
zu verringern, um jeglichen Einschaltstrom zu ermöglichen,
wenn das Schaltelement in dem Ein-Modus startet.
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Wie
in 9 gezeigt, ist ein exemplarisches Strommesselement 30 mit
Knoten 9A und 9B des Ansteuerelements 24 und
des Schaltelements 26 verbunden, die in 7 veranschaulicht
sind. Das Strommesselement umfasst einen differenziellen Operationsverstärker U1,
der den Strompegel über dem
Widerstand R11 zum Eingeben in das Verarbeitungselement 28 als
Strommessung Iana abtastet. Vorteilhafterweise ermöglicht diese
Konfiguration eine sehr genaue Strommessung, selbst für hohe Spannungen.
Dem ist so, weil der Widerstand R11 seriell mit der Oberspannung
der Sourcespannung Vin verbunden ist, und da die Energieversorgung
des differenziellen Verstärkers
U1 und des Verarbeitungselements mit der Oberspannung referenziert ist,
gibt es keine Common-Mode-Spannung, die den differenziellen Verstärker U1
beein flussen könnte. Die
verschiedenen Widerstände
und Kondensatoren ermöglichen
eine Signalkonditionierung und -filterung für die Strommessung, wenn sie
in den differenziellen Verstärker
eintritt und austritt, wie es einem Fachmann bekannt ist.
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10 veranschaulicht
ein Beispiel des Spannungsmesselements 33, das mit einem
Knoten 10A des Ansteuerelements 24 und des Schaltelements 26 verbunden
ist, die in 7 veranschaulicht sind. Das
Spannungsmesselement umfasst einen differenziellen Operationsverstärker U2,
der den Spannungsabfalls abtastet, der über der Last 14 zur Eingabe
in das Verarbeitungselement 28 als Spannungsmessung Vana
anliegt. Ähnlich
wie bei dem exemplarischen Strommesselement 30, das in 9 veranschaulicht
ist, ermöglichen
die verschiedenen Widerstände
und Kondensatoren, die in 10 gezeigt
sind, eine Signalkonditionierung und -filterung für die Spannungsmessung,
wenn sie in den differenziellen Verstärker eintritt und austritt,
wie es dem Fachmann bekannt ist.
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Deshalb
ermöglichen
die Vorrichtung, das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung
einen programmierbaren Controller, der mit einem entfernten Hauptcontroller
verbunden sein kann, wobei der programmierbare Controller den Eingangsstrom
zu zumindest einer Last steuern kann. Der programmierbare Controller
umfasst deshalb zumindest einen Festkörperschalter, um die problematischen
mechanischen Kontakte von herkömmlichen Ausschaltern
und Relais zu eliminieren. Der programmierbare Controller umfasst
auch ein Verarbeitungselement, um dadurch eine Flexibilität bei einer Energiesteuerung
hinzuzufügen,
die bei herkömmlichen
Ausschaltern und Relais nicht zur Verfügung steht. Der programmierbare
Controller kann gleichzeitig den Strom durch die Lasten und/oder
die Schalter, den Spannungsabfall über den Lasten und/oder die
Temperatur der Schalter messen und die Lasten und Schalter daraufhin überwachen. Durch
Verwendung eines Verarbeitungselements und durch Platzieren desselben
nahe der Lasten, kann der programmierbare Controller die für Energiesysteme
erforderliche Verkabelungsmenge verringern. Durch eine Verringerung
der Verkabelungsmenge verringert die vorliegende Erfindung eine
parasitäre
Impedanz in der Verkabelung und das Gewicht des Systems. Durch Verwenden
eines Verarbeitungselements ist der programmierbare Controller auch
leicht rekonfigurierbar und kann somit die Materialbeschränkungen
von herkömmlichen
Ausschaltern und Relais überwinden
und mehrere verschiedene Lasttypen betreiben.
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Viele
Modifikationen und weitere Ausführungsformen
der Erfindung werden dem Fachmann in den Sinn kommen, den diese
Erfindung betrifft, und zwar mit dem Vorteil der in der vorhergehenden Beschreibung
und den damit verbundenen Zeichnungen präsentierten Lehre. Deshalb versteht
es sich, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen, offenbarten
Ausführungsformen
begrenzt ist und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen
vom Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
umfasst sind.