DE69530278T2 - Visueller stromversorgungsindikator - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft visuelle "POWER ON"-Anzeigeeinrichtungen und insbesondere visuelle "POWER ON"-Anzeigeeinrichtungen für Schutzeinrichtungen von Schaltungen mit Eigenenergieversorgung.
• Es werden bereits verschiedene Arten von visuellen "POWER ON"- Anzeigeeinrichtungen bei modernen Schutzeinrichtungen für elektrische Schaltungen verwendet. Üblicherweise sind diese in Form einer Leuchtdiode (LED) vorgesehen, die leuchtet, wenn der Schutzeinrichtung Energie zugeführt wird. Die Energie für die LED wird üblicherweise von derselben Energiequelle zugeführt, die düe Energie für die Schutzeinrichtung der elektrischen Schaltung zuführt. Dies stellt kein Problem dar, wenn eine externe Energiequelle verwendet wird. Ist jedoch die Schutzeinrichtung für eine elektrische Schaltung eine kleine Einrichtung mit Eigenenergieversorgung, wie z. B. in der US-5668629 (Anmeldezeichen 08/143,948, mit dem Titel "Self-Powered Circuit Interruption Arrangement") und der US-5774319 (Anmeldezeichen 08/147,280, mit dem Titel "Energy Validation Arrangement for a Self-Powered Curcuit Interrupter") offenbart, ist die zur Verfügung stehende Energie sehr gering. Einrichtungen mit Eigenenergieversorgung erhalten ihre Betriebsenergie von einem oder mehreren Stromwandlern, die die zugeführte Energie zur geschützten Vorrichtung steuern, und führen der Überlast-Schutzeinrichtung ein Signal zu, das proportional der gemessenen Energie ist. Dadurch werden Kosten für zusätzliche Komponenten, die für eine separate Energieversorgung erforderlich sind, eingespart und die Schaltungs-Schutzeinrichtung kann geringe Abmessungen haben. Da die Stromwandler ebenfalls für eine optimale Wirksamkeit und Größe ausgelegt sind, erzeugen sie gerade genug Energie, um die Schaltungs-Schutzeinrichtung und eine elektromechanische Auslösevorrichtung zu betreiben. Die Energie, die erforderlich ist, um auch die leistungsfähigste LED zu erleuchten, kann gleich oder größer als die Energie sein, die erforderlich ist, um die elektromechanische Auslösevorrichtung zu betätigen.
• Wandler, die so ausgelegt sind, dass sie den zusätzlichen Strom, der zum kontinuierlichen Leuchten der LED erforderlich ist, erzeugen, müssen körperlich größer sein, so dass ein größeres Gehäuse für die Schaltungsschutzeinrichtung erforderlich ist und die Kosten der Schutzeinrichtung steigen. Wenn der Strornwandler nicht ausgelegt ist, um den zum kontinuierlichen Aufleuchten der LED erforderlichen Strom zu erzeugen, ist die zur Verfügung stehende Energie wesentlich verringert, so dass die Betätigung der Schaltungsschutzeinrichtung in nachteilhafter Weise beeinträchtigt wird. Durch die zusätzliche Last, die durch den Stromfluß durch die LED den Stromwandler belastet, nehmen irgendwelche Fehler im Signal von den Stromwandlern zur Überlast-Erfassungseinrichtung zu. Diese Fehler könnten dazu führen, dass die elektromechanische Auslösevorrichtung spät betätigt wird, oder möglicherweise überhaupt nicht. Dies könnte zur Folge haben, dass ein möglicher Schaden der geschützten Einrichtung verursacht wird. Es soll eine visuelle "POWER ON"-Anzeigevorrichtung für eine Einrichtung mit Eigenenergieversorgung geschaffen werden, bei der kleinere Stromwandler mit einem optimalen Aufbau verwendet werden können, ohne die Belastung der Stromwandler und die sich daraus resultierenden nachteiligen Auswirkungen auf den Betrieb der Schaltungs-Schutzeinrichtung zu erhöhen.
• Man beachte, dass die FR-A-2551217 eine Strom-Anzeigeeinrichtung offenbart, bei der eine LED und ein Summer in Abhängigkeit auf einen durch einen Strornwandler erfaßten Strom unter Verwendung der Energie vom Stromwandler ansprechen. Diese Einrichtung umfaßt keinerlei Schaltkreis- Unterbrechungsfunktianen.
• Die vorliegende Erfindung, die in den anhängigen Ansprüchen festgelegt ist, schafft eine Niederlast-"POWER ON"-Anzeigeeinrichtung für eine Schutzeinrichtung einer elektrischen Schaltung mit Eigenenergieversorgung, bei der durch die "POWER ON"-Anzeigeeinrichtung die Belastung des Stromwandlers nicht wesentlich über den minimalen Strom hinaus, der erforderlich ist, um die Schaltungs-Schutzeinrichtung und die elektromagnetische Auslösevorrichtung zu betreiben, erhöht wird. Dies wird durch das Vorsehen eines "Energie-Sharing"- Systems erreicht, bei dem der "POWER ON"-Anzeigeeinrichtung Energie zum Leuchten nur dann zugeführt wird, wenn der Energieakkumulator (Kondensator) für die Schaltungs-Schutzeinrichtung vollständig aufgeladen ist. Dadurch liegt die durchschnittliche Stromabgabe an den Stromwandlern nur geringfügig oberhalb des minimalen Stroms, der erforderlich ist, um die Schaltungs-Schutzeinrichtung und die elektromechanische Auslösevorrichtung zu betreiben. Der Schaltkreis der Schutzeinrichtung umfaßt einen Hysterese-Steuerschaltkreis, der einen Energieakkumulatorschalter steuert, der wiederum den Ladevorgang des Energieakkumulatorkondensators steuert. Der Hysterese-Steuerschaltkreis umfaßt einen Operationsverstärker, der als ein Komparator arbeitet, der mit einer stabilen Referenzspannung vorgespannt ist. Für diese Anwendung kann die stabile Referenzspannung als diejenige Spannung festgelegt sein, die erforderlich ist, um den elektromechanischen Auslösemechanismus der Schaltungs- Schutzeinrichtung zu betreiben. Wenn die Ladung am Kondensator gleich der stabilen Referenzspannung ist, erzeugt der Operationsverstärker ein "HIGH"- Ausgangssignal. Durch das "HIGH"-Ausgangssignal wird der Energieakkumulatorschalter geschlossen, so dass der Stromfluß weg vom Energieakkumulatorkondensator zur Schaltungsmasse über einen Lastwiderstand abgeleitet wird. Da die Spannung am Energieakkumulatorkondensator unter die stabile Referenzspannung abfällt, erzeugt der Operationsverstärker ein "LOW"- Ausgangssignal. Durch das "LOW"-Ausgangssignal wird der Energieakkumulatorschalter geschlossen, so dass der Strom zum Energieakkumulatorkondensator fließt, wodurch er aufgeladen wird. Die "POWER ON"-Anzeige-LED befindet sich im Ausgangsschaltkreis des Operationsverstärkers. Folglich wird, wenn der Operationsverstärker ein "HIGH"- Ausgangssignal erzeugt, durch welches der Energieakkurnulatorschalter geschlossen wird, dadurch auch der Strom durch die LED geleitet, so dass sie aufleuchtet. Erzeugt der Operationsverstärker ein "LOW"-Ausgangssignal, durch welches der Energieakkumulatorschalter geöffnet wird, unterbricht er den Stromfluß durch die LED, so dass sie nicht mehr aufleuchtet. Da die visuelle "POUVER ON"-Anzeige-LED nur aufleuchtet, wenn der Energieakkumulatorkondensator ausreichend aufgeladen ist, wird dadurch die Belastung der Stromwandler nicht wesentlich erhöht. Folglich werden etwaige Fehler in dem von den Stromwandlern der Überstrom-Schutzeinrichtung zugeführten Signal, die auf den durch die LED fließenden Strom zurückzuführen sind, minimiert. Durch diese Schaltungsanordnung es möglich, die Stromwandler für geringe Abmessungen auszulegen, eine hohe Genauigkeit und niedrige Kosten zu erreichen.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer typischen Schutzeinrichtung einer Schaltung mit Eigenenergieversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Schutzeinrichtung einer Schaltung mit Eigenenergieversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 3 ist ein Diagramm der Stromabgabe der Strornwandler in einer Einrichtung, wobei die visuelle "POWER ON"-Anzeigeeinrichtung kontinuierlich aufleuchtet; und
• Fig. 4 ist ein Diagramm der Stromabgabe der Stromwandler in einer Einrichtung, wobei die visuelle "POWER ON"-Anzeigeeinrichtung periodisch aufleuchtet, gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Bevor eine Ausführungsform der Erfindung detailliert beschrieben wird, soll darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details der Konstruktion und der Beschreibung oder die dargestellten Zeichnungen beschränkt. Die Erfindung kann bei anderen Ausführungsformen verwendet werden und kann auf verschiedene andere Weisen praktiziert oder ausgeführt werden. Man beachte auch, dass die hierin verwendete Ausdrucksweise und Terminologie zum Zwecke der Beschreibung dient und nicht als einschränkend anzusehen ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• Fig. 1 zeigt eine Schutzeinrichtung einer Schaltung mit Eigenenergieversorgung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 angegeben ist. Die Einrichtung 10 erhält ihre Energie von einem Dreiphasen-Stromwandler 14 (oder einem einzelnen Wandler pro Phase), der einen induzierten Strom zuführt, der proportional dem Strom ist, der in elektrischen Leitern 18, die durch ihn verlaufen, fließt. Die Leiter 18 führen einer elektrischen Einrichtung, wie z. B. ein elektrischer Motor, die durch die Schaltkreis-Schutzeinrichtung 10 geschützt ist, Energie zu. Ein herkömmlicher Schaltschütz 22, wie z. B. Square D Class 8502, Typ SA012, wird verwendet, um den Strom, der in den Leitern 18 fließt, in Abhängigkeit auf ein Signal der Schaltkreis-Schutzeinrichtung 10 zu unterbrechen.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, fließt der induzierte Strom von den Stromwandlern 14 durch einen Zweiweggleichrichter 26 und wird anschließend summiert, um ein DC- Ausgangssignal zu erzeugen. Ein Energieakkumulator 30 in Form eines Kondensators speichert ausreichend Energie, um die Einrichtung 10 zu betreiben und eine elektromechanische Auslöseeinrichtung, wie z. B. eine Auslösespule 34, die den Schaltschütz 22 öffnet, so dass der Strom zur geschützten Einrichtung unterbrochen wird, mit Energie zu versorgen. Die Stromwandler 14 sind betreffend der Leistungsfähigkeit, Größe und Kosten optimal ausgeführt. Folglich führen die Stromwandler 14 ausreichend Energie zu, um den Schaltkreis 10 zu betreiben und die Auslösespule 34 mit Energie zu versorgen. Gas Aufladen des Energieakkumulators 30 wird durch einen Akkumulatorschalter 38 gesteuert, der bei dieser Ausführungsform ein FET-Transistor, ist. Der Energieakkumulatorschalter 38 leitet den Stromfluß zum Energieakkumulator 30 um, wenn sein Ladezustand niedrig ist, und weg vom Energieakkumulator 30, wenn sein Ladungszustand ausreicht, die Schaltkreis-Schutzeinrichtung 10 zu betreiben und die Auslösespule 34 mit Energie zu versorgen. Der Energieakkumulatorschalter 38 wird durch einen Hysterese-Steuerschaltkreis 42 gesteuert, der einen Operationsverstärker 46 und einen Rückführungsschaltkreis 50 umfaßt, der zwischen einem Ausgangsanschluß und einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 46 angeschlossen ist. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 46 ist mit einer stabilen Referenzspannung vorgespannt. Die stabile Referenzspannung wird durch die Verbindung eines Widerstandes 54 mit einer Bandlückenreferenz 58 gebildet. Der Wert der stabilen Referenzspannung wird so gewählt, dass der Energieakkumulator 30 ausreichend Energie hat, um die Auslösespule 34 zu betreiben. Wenn die Spannung des Energieakkumulators 30 gleich der stabilen Referenzspannung ist, erzeugt der Operationsverstärker 46 ein "HIGH"-Ausgangssignal. Durch das "HIGH"- Ausgangssignal wird der Energieakkumulatorschalter 38 geschlossen, so dass der Stromfluß weg vom Energieakkumulator 30 zur Schaltungsmasse abgeleitet wird. Wenn die Spannung des Energieakkumulators 30 geringer als die stabile Referenzspannung ist, erzeugt der Operationsverstärker 46 ein "LOVV"- Ausgangssignat Durch das "LOW"-Ausgangssignal wird der Energieakkumulatorschalter 38 geöffnet, um den Stromfluß zum Akkumulator 30 zu leiten, so dass er sich aufladen kann. Eine visuelle "POWER ON'- Anzeigeeinrichtung in Form einer LED 62 befindet sich im Ausgangsschaltkreis des Operationsverstärkers 46, so dass die LED 62 nur leuchtet, wenn der Operationsverstärker 46 ein "HIGH"-Ausgangssignal erzeugt.
• Fig. 3 und 4 sind Kennlinien, welche die Stromabgabe darstellen, die für zwei hypothetische Schaltkreise erforderlich ist, wobei einer eine kontinuierlich leuchtende LED 62 aufweist, und wobei der andere gemäß der vorliegenden Erfindung eine LED 62 aufweist, die nur leuchtet, wenn der Energieakkumulator 30 ausreichend aufgeladen ist. Zum Zwecke der Darstellung benötigt der hypothetische Schaltkreis der Schutzeinrichtung 10 und der Energieakkumulatorkondensator 30 500 uA (Ic) zum Betrieb, benötigt der Kondensator 400 ms, um sich aufzuladen und 600 ms um sich zu entladen, und benötigt die hypothetische LED 62 500 uA (I&sub1;) um zu leuchten. Es wird darüber hinaus angenommen, dass die hypothetischen Stromwandler 14 so konstruiert sind, dass sie ein Ausgangssignal von 500 uA zu erzeugen, welches erforderlich ist, um die Schutzeinrichtung der Schaltung zu betreiben und den Energieakkumulatorkondensator 30 aufzuladen.
• Die Kennlinie in Fig. 3 zeigt die Stromabgabe für einen Schaltkreis, bei dem die LED 62 kontinuierlich aufleuchtet. Bei dieser Darstellung beträgt die durchschnittliche Stromabgabe, die vom Stromwandler 14 gefordert wird, Iave = Ii + Ic oder 500 uA + 500 uA = 1 mA. Dies stellt einen 100%-igen Anstieg der Stromabgabe dar, die erforderlich ist, um die Schutzeinrichtung 10 des Schaltkreises zu betreiben.
• Die Kennlinie in Fig. 4 zeigt die Stromabgabe für einen Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die LED 62 nur aufleuchtet, wenn der Energieakkumulatorkondensator 30 vollständig aufgeladen ist. Bei dieser Darstellung beträgt die vom Stromwandler 14 geforderte Stromabgabe Iave = I&sub1; · (Ton/(Ton + Toff)) + Ic oder 500 uA + 500 uA · (400 ms/(400 ms + 600 ms)) = 700 uA. Dies entspricht einer 40%-igen Zunahme bei der Stromabgabe, die erforderlich ist, um die Schutzeinrichtung 10 des Schaltkreises zu betreiben. Durch Vergleichen von Iave in Fig. 3 mit dem in Fig. 4 wird deutlich, dass eine Einrichtung mit einem kontinuierlichen Aufleuchten der LED 62 eine wesentlich höherer Stromabgabe hat, als eine Einrichtung mit pulsierendem Aufleuchten der LED 62. Hinsichtlich des Wandleraufbaus ist der Strom, der vom Wandler erzeugt wird, proportional dem Eisengehalt des Wandlerkerns. Durch das Erhöhen des Eisengehalts des Kerns zum Bilden des erforderlichen Ausgangsstroms nehmen die Abmessungen des Wandlers und die Kosten zur Herstellung des Wandlers zu. Die Genauigkeit der Überspannungs-Erfassungseinrichtung wird auch in nachteilhafter Weise entsprechend der zusätzlichen Stromabgabe, die von der Einrichtung gefordert wird, für die der Wandler ausgelegt ist, beeinträchtigt. Durch das Erhöhen des Eisengehaltes des Wandlerkerns um eine geringe Menge, so dass der Ausgangsstrom, der von der pulsierenden LED 62 benötigt wird, erzeugt wird, ist es möglich, dass die Schutzeinrichtung des Schaltkreises die Genauigkeit beibehält während die Abmessungen und die Herstellungskosten auf ein Minimum gehalten werden.

Claims (4)

1. Visuelle Niederlast-"Power On"-Anzeigeeinrichtung für eine Schutzeinrichtung einer elektrischen Schaltung mit Eigenenergieversorgung, wobei die visuelle Niederlast-"Power On"-Anzeigeeinrichtung in Kombination aufweist:

- einen Stromwandler (14), der an eine geschützte elektrische Einrichtung angeschlossen ist, um einen induzierten Strom zu erzeugen, der direkt proportional einem Strom ist, der der geschützten elektrischen Einrichtung zugeführt wird,

- eine Gleichrichter-Einrichtung (26) zum Gleichrichten des induzierten Stroms,

- einen Energieakkumulator (30), um eine akkumulierte Spannung, die durch die Gleichrichter-Einrichtung zugeführt wird, zu speichern, eine Einrichtung (54, 58) zum Bilden einer stabilen Referenzspannung,

- einen Operationsverstärker (46), der mit dem Energieakkumulator elektrisch verbunden und mit der stabilen Referenzspannung vorgespannt ist, so dass, wenn die akkumulierte Spannung gleich der stabilen Referenzspannung ist, der Operationsverstärker ein "HIGH"-Ausgangssingnal erzeugt, und wenn die akkumulierte Spannung niedriger als die stabile Referenzspannung ist, der Operationsverstärker ein "LOW"-Ausgangssignal erzeugt,

- einen Energieakkumulatorschalter (38), der mit dem Energieakkumulator und der Gleichrichter-Einrichtung elektrisch verbunden ist, wobei der Energieakkumulatorschalter zwischen einem Energie-Akkumulationszustand in Abhängigkeit vom "LOW"-Ausgangssignal des Operationsverstärkers und einem Nicht-Akkumulationszustand in Abhängigkeit vom "HIGH"- Ausgangssignal des Operationsverstärkers schaltbar ist, so dass im Energie- Akkumulationszustand der induzierte Strom zum Energieakkumulator derart geleitet wird, dass die Akkumulatorspannung darin gespeichert werden kann, und im Nicht-Akkumulationszustand der induzierte Strom vom Energieakkumulator weg zu einer LED (62) abgeleitet wird, und

- wobei die LED (62) mit dem Operationsverstärker elektrisch so verbunden ist, dass die LED nur leuchtet, wenn der Operationsverstärker ein "HIGH"- Ausgangssignal erzeugt, so dass eine visuelle Anzeige des "POWER ON"- Zustands der Schutzeinrichtung bewirkt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der Energieakkumulator (30) ein Kondensator ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Energieakkumulatorschalter (38) ein Transistor ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, bei der der Transistor ein FET-Transistor ist.