EP2543144A1 - Elektronische sicherung - Google Patents

Elektronische sicherung

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Publication number
EP2543144A1
EP2543144A1 EP11701831A EP11701831A EP2543144A1 EP 2543144 A1 EP2543144 A1 EP 2543144A1 EP 11701831 A EP11701831 A EP 11701831A EP 11701831 A EP11701831 A EP 11701831A EP 2543144 A1 EP2543144 A1 EP 2543144A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching
switching element
electronic fuse
thermal load
fuse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11701831A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Hublitz
Alwin Hummel
Anton Schneider
Harald Schweigert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2543144A1 publication Critical patent/EP2543144A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/082—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage by feedback from the output to the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/14—Modifications for compensating variations of physical values, e.g. of temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Definitions

  • the invention relates to an electronic fuse, which is a switching element for switching off and / or for
  • Electrical fuses are used wherever faults within an electrical system to a
  • Each load branch comprises one or more consumers, usually each of these load branches by means of a
  • Inrush currents of consumers can be limited.
  • relays or contactors are used for switching off and on of individual load branches.
  • High inrush currents due to capacitive loads could damage or destroy a relay or contactor. It therefore makes sense, such a switching relay of an electronic
  • the electronic fuse then serves as a monitoring unit and is operated in such a way that power surges are limited in the course of a power-up.
  • the electronic fuse operates in a linear mode until the current falls below a permissible upper limit.
  • the invention has for its object to further develop the known from the prior art electronic fuses, especially for use in industrial plants.
  • this object is achieved by a method according to claim 1 and an electronic fuse according to Claim 11.
  • the inventive design of an electronic fuse and the method according to the invention for operating this fuse eliminates the need for electrical systems to provide a dedicated relay for remote switching operations.
  • the combination of multiple fuse channels in a backup device also leads to a low wiring complexity within a system.
  • Switching element is only switched on or off when the thermal load of the switching element is within a permissible range. In this way it is possible to use the electronic fuse itself to turn on and off individual load branches.
  • the consideration of the thermal load takes place because only one switch is provided for the execution of remote switching commands and possibly for limiting the current.
  • the problem of too high switching frequency of a switching relay is
  • Plant control increases the functional reliability of the plant. Especially with complex systems, the knowledge about operating states of individual load branches is important to ensure a coordinated control of the entire system. It is also easier to troubleshoot, because error determinations are automated by means of central system control
  • a simple embodiment of the invention is given when, after a switching operation or after several
  • Switching a lock time is specified during which no further switching operation is feasible.
  • the length of the locking period is selected so that in all possible operating conditions, the permissible thermal
  • Switching element leads. Critical conditions can occur when the switching element of the electronic fuse when switching on a load branch a large part of his
  • thermal capacity must be used to turn on load in current limiting operation or a large one Inductance with its load of free-wheeling circuits
  • thermal stress of the switching element is determined and that no switching operations are performed when the thermal load reaches a critical limit.
  • a blocking of a switching operation takes place in dependence of the actual thermal load of the switching element.
  • the determination of the thermal load is done by measuring the temperature of the switching element.
  • the delay time is first determined in this linear operation.
  • the approximate calculation of the switching energy losses is the set
  • Integral formation of at least one of the mentioned parameters can affect the thermal utilization of the switching element of the
  • a cooling time is specified during which no switching operations are performed. It is
  • thermal cooling deposited as a mathematical function in the control of the electronic fuse A weak load leads to no or too short cooling times, whereas a strong thermal
  • Remote control interface transmitted binary signals.
  • Backup channels in a backup device is significantly reduced by the bundling of the signaling in the form of telegrams, the wiring complexity.
  • An electronic fuse according to the invention comprises an electronic control unit and a switching element, wherein a
  • Remote control interface is provided for receiving control commands for the switching element and wherein the
  • Control electronics the switching element only controls when the thermal load of the switching element is within a permissible range.
  • the switching element is a timer
  • a locking period is determined, during which no further switching operation can be performed.
  • the electronic fuse is set up to determine the thermal load of the switching element.
  • Fuse usually without a microcontroller comprises, it is advantageous if this is provided for the calculation of switching energy losses.
  • an operating element is provided by means of which at least one function of the electrical fuse is manually retrievable. This is especially useful for maintenance and commissioning purposes.
  • a further embodiment provides that juxtaposed electronic fuses are interconnected according to the so-called daisy-chain method. This assigns each backup or several to a group
  • this control voltage may also be a 230V AC voltage or any other
  • the invention relates to a variety of supply systems, but in particular to fuses for DC systems, as these on
  • 400V supply voltage generate a 24V DC control voltage.
  • These power supplies can be unregulated (usually 50Hz
  • Transformers with rectifier) or regulated (usually clocked power supplies) be executed.
  • the control of an industrial plant takes place by means of a central control, for example a SIMATIC from Siemens.
  • a central control for example a SIMATIC from Siemens.
  • Plant control is connected to a fuse according to the invention for connecting and disconnecting the corresponding load branch.
  • the electronic fuse is also about any other non-channel electronic fuse addressed.
  • the electronic fuse is also about any other non-channel electronic fuse addressed.
  • the electronic fuse is also about any other non-channel electronic fuse addressed.
  • standardized data bus network eg Profinet
  • load branches that is a
  • Switching on corresponding consumers leads to a thermal load on the switching element within the electronic fuse.
  • the amount of load depends on the characteristics of the respective consumer.
  • the load current is limited to a predetermined maximum value.
  • Consumers of this type are, for example, incandescent lamps, actuators for accelerating masses, or DC / DC converters, which are used during the charging of input capacitors and during the charging of
  • Power transistor formed.
  • An alternative is a graded network of power resistors
  • the switching element or several switching elements must be able to limit the current at the output continuously or in stages.
  • Cooling time is determined on the one hand by the occurring thermal load and on the other hand by the specification of the switching element and the cooling conditions.
  • thermal load can be determined from the switching losses and the conduction losses, the thermal
  • Load capacity of the switching element and the cooling conditions are determined by the design and implementation of the electronic fuse. From the necessary cooling time results in a maximum
  • the electronic fuse is optionally set up so that a blocked
  • Switching command is executed late after expiry of the locking time. In some plant constellations, it may also make sense not to execute a blocked switching command at all and to report this to the higher-level controller.
  • Frequency of switching operations is accepted if a correspondingly long cooling time follows.
  • the thermal time constant of the switching element is stored in a calculation algorithm.
  • the thermal load is derived in a simple manner from the switching times and a maximum permissible limiting current of the fuse.
  • a power transistor with built-in thermal signaling is favorably used (for example, Tempfet of Infineon). At a defined limit temperature, an additionally installed thyristor is ignited, whereby outside of the power semiconductor, a detectable change of a voltage divider is caused.
  • Fuse is set up so that switching commands are blocked when the limit temperature is reached.
  • the limiting time is measured during which the switching element operates at a switch-on or switch-off of a consumer in linear operation.
  • the maximum possible amount of energy loss per switching operation results from this limiting time.
  • the determination of the thermal state of the switching element by means of a thermal time constant, which is either known or can be determined in simple experiments. It is thus determined for each consumer its own maximum switching frequency and the control electronics specified as a limit. A further improvement results from the determination of the actually occurring losses on the switching element by measuring the current through the switching element and the am
  • Switching plays the thermal capacity of the power unit used and suppressed the assumption of further switching commands only in the event of imminent overload.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Selective Calling Equipment (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)
  • Fuses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung, welche ein Schaltelement zur Abschaltung und/oder zur Stromaufnahmebegrenzung eines elektrischen Verbrauchers umfasst, wobei über eine Fernsteuerungsschnittstelle Steuerbefehle für das Schaltelement empfangen werden und wobei das Schaltelement nur dann ein- oder ausgeschaltet wird, wenn die thermische Belastung des Schaltelements innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektronischen Sicherung. Dadurch entfällt bei elektrischen Anlagen die Notwendigkeit, für ferngesteuerte Schaltvorgänge ein eigenes Relais vorzusehen.

Description

Elektronische Sicherung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung, welche ein Schaltelement zur Abschaltung und/oder zur
Stromaufnahmebegrenzung eines elektrischen Verbrauchers umfasst sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektronischen Sicherung.
Elektrische Sicherungen finden überall dort Anwendung, wo Störfälle innerhalb einer elektrischen Anlage zu einer
Gefährdung von Mensch und/oder Maschine führen können.
Insbesondere bei Industrieanlagen ist der Einsatz
elektronischer Sicherungen üblich. Häufig werden dabei mehrere Lastzweige mittels einer Stromversorgung versorgt. Jeder Lastzweig umfasst einen oder mehrere Verbraucher, wobei in der Regel jeder dieser Lastzweige mittels einer
elektronischen Sicherung am jeweiligen Ausgang der
Stromversorgung abgesichert ist. Im Störfall werden Ströme durch einen Lastzweig begrenzt und bei fortdauernder Störung erfolgt eine Abschaltung des betroffenen Lastzweigs. Die Strom begrenzende Funktion einer elektronischen Sicherung bietet dabei gegenüber einer konventionellen Sicherung den Vorteil, dass auch im regulären Betrieb gegebenenfalls
Einschaltströme von Verbrauchern begrenzt werden können.
Mit zunehmendem Einsatz von Schaltnetzteilen als
Stromversorgungen mit deren exakter Strombegrenzung und zum eindeutigen Erkennen defekter Verbraucher finden
elektronische Sicherungen immer mehr Verbreitung. Der
Einbruch der Speisespannung wird im Falle eines
Verbraucherkurzschlusses verhindert, indem ein
Kurzschlussstrom mittels elektrischer Sicherung aktiv
begrenzt wird. Neben einer Absicherung jedes Lastzweigs besteht häufig der Bedarf, einzelne Lastzweige vorübergehend abzuschalten.
Gründe sind beispielsweise erforderliche Wartungsarbeiten oder schlicht Stromsparmaßnahmen. In den meisten Fällen handelt es sich aber um ein betriebsmäßiges Ansteuern
verschiedener Verbraucher (z.B. Magnetventile, Schützspulen, Stellmotoren etc.)
Im Fall von Stromsparmaßnahmen werden einzelne Lastzweige abgeschaltet, wenn die entsprechenden Anlagenteile nicht benötigt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die
Betriebszustände der gesamten Anlage und der einzelnen
Anlagenteile immer eindeutig definiert sind, um jederzeit ein reibungsloses Hochfahren sicherzustellen.
Nach dem Stand der Technik werden für das Ab- und Einschalten einzelner Lastzweige Relais oder Schütze verwendet. Hohe Einschaltströme infolge kapazitiver Verbraucher könnten ein Relais bzw. Schütz beschädigen oder zerstören. Es ist deshalb sinnvoll, ein solches Schaltrelais einer elektronischen
Sicherung nachzuschalten. Die elektronische Sicherung dient dann als Überwachungseinheit und wird in der Weise betrieben, dass Stromstöße im Zuge eines Einschaltvorgangs begrenzt werden. Die elektronische Sicherung arbeitet dabei so lange in einem Linearbetrieb, bis der Strom wieder unter eine zulässige Höchstgrenze abfällt.
Infolge dieser Einschaltstrombegrenzung können kleiner dimensionierte Schaltrelais eingesetzt werden und die
Lebensdauer der Schaltkontakte erhöht sich signifikant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten elektronischen Sicherungen insbesondere für den Einsatz in Industrieanlagen weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer elektronischen Sicherung gemäß Anspruch 11. Durch die erfindungsgemäße Ausführung einer elektronischen Sicherung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben dieser Sicherung entfällt bei elektrischen Anlagen die Notwendigkeit, für ferngesteuerte Schaltvorgänge ein eigenes Relais vorzusehen. Die Zusammenfassung mehrerer Sicherungskanäle in einem Sicherungsgerät führt zudem zu einem geringen Verdrahtungsaufwand innerhalb einer Anlage.
Dabei werden über eine Fernsteuerungsschnittstelle
Steuerbefehle für das Schaltelement empfangen und das
Schaltelement wird nur dann ein- oder ausgeschaltet, wenn die thermische Belastung des Schaltelements innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. Auf diese Weise ist es möglich, die elektronische Sicherung selbst zum Ein- und Ausschalten einzelner Lastzweige zu nutzen. Die Berücksichtigung der thermischen Belastung erfolgt, weil nur ein Schalter zur Ausführung von Fernschaltbefehlen und gegebenenfalls zur Strombegrenzung vorgesehen ist. Die Problematik einer zu hohen Schaltfrequenz eines schaltenden Relais wird
überwunden. Eine zu hohe Schaltfolge, beispielsweise infolge eines Programmierfehlers, führt nicht mehr zum Verschleißen von Relaiskontakten oder einem plötzlichen Abschalten der elektronischen Sicherung. Innerhalb einer Industrieanlage ist üblicherweise eine zentrale Anlagensteuerung angeordnet. Diese steuert über die Fernsteuerungsschnittstelle die Schaltfunktion der
elektronischen Sicherung. Die Einschränkung, dass ein
Schaltbefehl nur bei zulässigen thermischen Bedingungen ausgeführt wird, verhindert eine Beschädigung der
elektronischen Sicherung. Insbesondere bei industriellen Anlagen ist diesem Umstand eine hohe Bedeutung beizumessen, da der Ausfall einer Sicherung den Stillstand der gesamten Anlage bedeuten kann. Auf Ausfallsicherheit wird deshalb in vielen Einsatzbereichen elektronischer Sicherungen großer Wert gelegt. In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird ein Meldesignal generiert, wenn ein Schaltbefehl nicht umgesetzt wird. Damit ist eine Rückmeldemöglichkeit an eine zentrale
Anlagensteuerung gegeben. Es wird verhindert, dass aufgrund thermisch ungünstiger Gegebenheiten nicht durchgeführte
Fernschaltbefehle zu Fehlfunktionen einer Anlage führen.
Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass nach jedem
Schaltvorgang ein Bestätigungssignal generiert wird. Eine Übertragung dieses Bestätigungssignals an eine
Anlagensteuerung erhöht die Funktionssicherheit der Anlage. Insbesondere bei komplexen Anlagen ist die Kenntnis über Betriebszustände einzelner Lastzweige bedeutungsvoll, um eine koordinierte Steuerung der gesamten Anlage sicherzustellen. Auch eine Fehlersuche ist einfacher, weil mittels zentraler Anlagensteuerung Fehlerbestimmungen automatisiert
durchführbar sind.
Eine einfache Ausführungsform der Erfindung ist dann gegeben, wenn nach einem Schaltvorgang oder nach mehreren
Schaltvorgängen eine Verriegelungsdauer vorgegeben wird, während der kein weiterer Schaltvorgang durchführbar ist. Die Länge der Verriegelungsdauer wird so gewählt, dass in allen möglichen Betriebszuständen die zulässigen thermischen
Belastungen der Sicherungsbauteile nicht überschritten werden. Als Vorgabe für die Verriegelungsdauer wird eine erforderliche Abkühldauer für das Schaltelement zuzüglich einer Sicherheitsspanne herangezogen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine ausreichende Abkühlung stattfindet und ein neuerlicher Schaltvorgang nicht zum Verlassen des zulässigen Bereichs der thermischen Belastung des
Schaltelements führt. Kritische Zustände können auftreten, wenn das Schaltelement der elektronischen Sicherung beim Einschalten eines Lastzweigs einen großen Teil seiner
thermischen Kapazität dafür verwenden muss, Verbraucher im Strombegrenzungsbetrieb einzuschalten oder eine große Induktivität mit ihrer Belastung von Freilaufkreisen
abzuschalten .
Eine verfeinerte Ausführungsform sieht vor, dass die
thermische Belastung des Schaltelements ermittelt wird und dass keine Schaltvorgänge durchgeführt werden, wenn die thermische Belastung eine kritische Grenze erreicht. Eine Blockierung eines Schaltvorgangs erfolgt in Abhängigkeit der tatsächlichen thermischen Belastung des Schaltelements.
In Einfacher Weise geschieht die Ermittlung der thermischen Belastung durch Messen der Temperatur des Schaltelements.
Ein solcher physikalischer Messvorgang ist nicht
erforderlich, wenn die thermische Belastung aus errechneten Schaltenergieverlusten und/oder Durchleitungsverlusten des Schaltelements ermittelt wird. Befindet sich die
elektronische Sicherung in einem Linearbetrieb, das heißt in einem Strom begrenzenden Betriebszustand, wird zunächst die Verharrungszeit in diesem Linearbetrieb bestimmt. Neben dieser Verharrungszeit wird zur ungefähren Berechnung der Schaltenergieverluste der eingestellte
Sicherungsbegrenzungsstrom herangezogen. Für eine genauere Berechnung ist es sinnvoll, wenn zusätzlich die am
Schaltelement abfallende Spannung ermittelt wird. Durch
Integralbildung zumindest eines der genannten Parameter kann auf die thermische Auslastung des Schaltelements der
elektronischen Sicherung geschlossen werden.
Noch präziser erfolgt die Berechnung der Verluste des
Schaltelements, wenn die am Schaltelement abfallende Spannung und der durch das Schaltelement fließende Strom gemessen werden. Mit dieser Methode werden alle im Schaltelement anfallenden Verluste erfasst, sowohl die
Schaltenergieverluste als auch im normalen Betrieb
auftretenden Durchleitungsverluste. Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit der ermittelten thermischen Belastung eine Abkühlzeit vorgegeben, während der keine Schaltvorgänge durchgeführt werden. Dabei ist
beispielsweise die thermische Abkühlung als mathematische Funktion in der Steuerung der elektronischen Sicherung hinterlegt. Eine schwache Belastung führt zu keinen oder zu kurzen Abkühlzeiten, wohingegen eine starke thermische
Belastung zu längeren Abkühlzeiten führt. In einer besonderen Ausführungsform werden über die
Fernsteuerungsschnittstelle binäre Signale übermittelt. Die Kommunikation der elektronischen Sicherung mit einer
übergeordneten Anlagensteuerung erfolgt dann beispielsweise mittels einfacher binärer Zustände. Dabei ist pro Funktion ein Kabel zwischen elektronischer Sicherung und der
Anlagensteuerung vorgesehen. Alternativ dazu kann die
Kommunikation über Telegramme und binäre Zustände erfolgen, wodurch mehrere Signale bzw. Funktionen über eine einzige Leitung übertragbar sind. Insbesondere bei mehreren
Sicherungskanälen in einem Sicherungsgerät wird durch die Bündelung der Signalisierung in Form von Telegrammen der Verdrahtungsaufwand erheblich verringert.
Eine Telegrammübertragung erlaubt zudem die Zusatzfunktion, dass der Sicherungsauslösewert der elektronischen Sicherung mittels einer übergeordneten Anlagensteuerung vorgebbar ist. Auf diese Weise kann eine Anlage von einer Steuerwarte aus nachgetrimmt werden. Eine erfindungsgemäße elektronische Sicherung umfasst eine Steuerelektronik und ein Schaltelement, wobei eine
Fernsteuerungsschnittstelle zum Empfang von Steuerbefehlen für das Schaltelement vorgesehen ist und wobei die
Steuerelektronik das Schaltelement nur dann ansteuert, wenn die thermischen Belastung des Schaltelements innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt. In einer Ausprägung der Erfindung ist ein Zeitglied
angeordnet, mittels dem eine Verriegelungsdauer festgelegt ist, während der kein weiterer Schaltvorgang durchführbar ist .
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die elektronische Sicherung zur Ermittlung der thermischen Belastung des Schaltelements eingerichtet ist. Da eine elektronische
Sicherung in der Regel ohnedies einen MikroController umfasst, ist es günstig, wenn dieser zur Errechnung von Schaltenergieverlusten vorgesehen ist.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn ein Bedienelement vorgesehen ist, mittels dem zumindest eine Funktion der elektrischen Sicherung manuell abrufbar ist. Vor allem für Wartungsarbeiten und für Inbetriebnahmezwecke ist dies sinnvoll .
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass nebeneinander angeordnete elektronische Sicherungen untereinander nach der sogenannten Daisy-chain-Methode verbunden sind. Damit weist jede Sicherung oder weisen mehrere zu einer Gruppe
zusammengefasste Sicherungen einen Kommunikationseingang und einen Kommunikationsausgang auf. Signale einer
Anlagensteuerung werden an eine Sicherung bzw.
Sicherungsgruppe übertragen und von Sicherung zu Sicherung weitergegeben. Ebenso werden Meldungen über eine Sicherung bzw. Sicherungsgruppe an die zentrale Anlagensteuerung übertragen. Dadurch kann eine schadhafte Sicherung getauscht werden, ohne dass eine Programm- oder Adressänderung nötig ist .
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In den meisten Automatisierungsanlagen werden
Gleichspannungen für die Versorgung einer Anlagensteuerung und deren Peripherie verwendet. Seit vielen Jahren ist ein weltweiter Standard von 24V Gleichspannung etabliert und im Einsatz. Diese Spannung steht als Steuerspannung zur
Verfügung. In manchen Anlagen kann diese Steuerspannung auch eine 230V-AC-Spannung sein oder eine beliebige andere
Spannung. Die Frequenz einer AC-Spannung ist dabei
anlagenspezifisch festlegbar. Die Erfindung bezieht sich auf unterschiedlichste Versorgungssysteme, insbesondere aber auf Sicherungen für Gleichspannungssysteme, da diese am
häufigsten auftreten.
Im Folgenden wird vornehmlich auf ein 24V-DC-Verteilsystem Bezug genommen. In der Regel werden bei Industrieanlagen Stromversorgungen eingesetzt, welche aus einer 230V- od.
400V-Versorgungsspannung eine 24V-DC-Steuerspannung erzeugen. Diese Stromversorgungen können ungeregelt (meist 50Hz
Transformatoren mit Gleichrichter) oder geregelt (meist getaktete Netzteile) ausgeführt sein.
Die Steuerung einer Industrieanlage erfolgt mittels einer zentralen Steuerung, beispielsweise einer SIMATIC der Fa. Siemens. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung kommt
insbesondere dann zum Tragen, wenn diese übergeordnete
Anlagensteuerung mit einer erfindungsgemäßen Sicherung zum Zu- und Wegschalten des entsprechenden Lastzweigs verbunden ist.
Für die Übertragung eines Schaltbefehls können bekannte
Standardlösungen herangezogen werden. Zum Beispiel ist ein Übertragungskanal der elektrischen Sicherung mit einem
Digitalausgang der übergeordneten Anlagensteuerung mittels eigener Leitung verbunden. Übermittelt wird entweder ein einfaches Ein-Aus-Signal oder es werden mittels eines
Telegramms definierte einzelne Schaltkanäle einer
mehrkanaligen elektronischen Sicherung angesprochen. Die elektronische Sicherung ist auch über ein beliebiges
standardisiertes Datenbusnetz (z.B. Profinet) anschließbar. Vor allem ein Zuschalten von Lastzweigen, das heißt ein
Einschalten von entsprechenden Verbrauchern, führt zu einer thermischen Belastung des Schaltelements innerhalb der elektronischen Sicherung. Die Höhe der Belastung ist abhängig von der Charakteristik der jeweiligen Verbraucher. Ein
Einschaltstrom ist besonders groß, wenn es sich um
Verbraucher mit einem hohen kapazitiven Anteil handelt. Beim Schließen des Schaltelements ist der Strom nur mehr durch parasitäre Widerstände von Leitungen und Verbindungsklemmen, durch Innenwiderstände von Ausgangskondensatoren einer
Stromversorgung sowie durch Innenwiderstände von
Verbraucherkondensatoren begrenzt .
Eine massive Belastung des Schaltelements entsteht
insbesondere, wenn die Verbraucher Anlaufströme aufweisen, welche deutlich höher sind als die Dauerbetriebsströme. Ohne geeignete Maßnahmen würde dies zu einer Überlastung der speisenden Stromversorgung und in weiterer Folge zu einem unzulässigen Einbruch der Versorgungsspannung führen. Eine elektrische Sicherung ist deshalb zur linearen
Strombegrenzung eingerichtet. Der Verbraucherstrom wird dabei auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Im Schaltelement können während eines solchen Linearbetriebs massive
Verlustleistungen auftreten. Verbraucher dieser Art sind beispielsweise Glühlampen, Stellmotoren zur Beschleunigung von Massen, oder DC/DC-Wandler, welche während des Aufladens von Eingangskondensatoren und beim Aufladen von
Ausgangskondensatoren hohe Ströme aufnehmen. Verbraucher mit an sich nichtlinearen Anlaufströmen führen demnach zu einer zeitlich auf den AnlaufVorgang begrenzten zusätzlichen
Belastung des Schaltelements.
Das Schaltelement ist vorteilhafterweise als
Leistungstransistor ausgebildet. Eine Alternative stellt ein abgestuftes Netzwerk von Leistungswiderständen mit
überbrückenden mechanischen Kontakten dar. In jedem Fall muss das Schaltelement bzw. müssen mehrere Schaltelemente den Strom am Ausgang stufenlos oder in Stufen begrenzen können.
Generell sind Verbraucher zu berücksichtigen, welche aufgrund von kapazitiven Anteilen hohe Einschaltströme oder aufgrund von induktiven Anteilen hohe Abschaltspannungen am
Schaltelement hervorrufen. Schaltet das Schaltelement derartige Verbraucher, treten thermische Belastungen des Schaltelements auf, welche eine notwendige Abkühlzeit zwischen zwei Schaltvorgängen erfordern. Die Dauer der
Abkühlzeit bestimmt sich einerseits aus der auftretenden thermischen Belastung und andererseits aus der Spezifikation des Schaltelements sowie den Kühlungsbedingungen. Die
thermische Belastung lässt sich aus den Schaltverlusten und den Durchleitungsverlusten bestimmen, die thermische
Belastbarkeit des Schaltelements und die Kühlbedingungen sind durch die Bauart und die Implementierung der elektronischen Sicherung vorgegeben. Aus der notwendigen Abkühlzeit ergibt sich eine maximale
Frequenz, mit der ein Verbraucher bzw. Lastzweig geschaltet werden kann.
Um die thermische Belastung des Schaltelements innerhalb des zulässigen Bereichs zu halten, werden Fernschaltbefehle erfindungsgemäß blockiert, wenn eine Anlagensteuerung einen Verbraucher zu oft ein- und ausschalten würde. Insbesondere bei komplexen Anlagen mit proprietären Steuerungen ist von einer Häufung solcher Fälle auszugehen. Zudem sind im
Anlagenbau kurze Projektierungszeiten die Regel, wodurch eine detaillierte Berechnung aller Belastungen und somit eine sichere Dimensionierung aller Schaltelemente nicht immer möglich ist. Im einfachsten Fall wird einer in der Sicherung vorhandenen Steuerelektronik (z.B. MikroController) eine fixe Begrenzung der Schaltfrequenz vorgegeben. Zwischen zwei Schaltspielen muss also eine fixe Mindestabkühlzeit vergehen. Sollte während einer entsprechenden Verriegelungsdauer ein
Schaltbefehl empfangen werden, blockiert die Steuerelektronik diesen Befehl und meldet dies der übergeordneten
Anlagensteuerung. Die elektronische Sicherung ist dabei gegebenenfalls so eingerichtet, dass ein blockierter
Schaltbefehl nach Ablauf der Verriegelungszeit verspätet ausgeführt wird. In manchen Anlagenkonstellationen kann es auch sinnvoll sein, einen blockierten Schaltbefehl überhaupt nicht auszuführen und dies der übergeordneten Steuerung zu melden .
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die
Schaltvorganganzahl pro Zeiteinheit begrenzt wird. Eine
Häufung von Schaltvorgängen wird akzeptiert, wenn eine entsprechend lange Abkühlzeit folgt. Dabei ist beispielsweise die thermische Zeitkonstante des Schaltelements in einem Rechenalgorithmus hinterlegt. Die thermische Belastung wird in einfacher Weise aus den Schaltzeiten und einem maximal zulässigen Begrenzungsstrom der Sicherung abgeleitet.
In einem vorteilhaften Verfahren zur Bestimmung der maximal zulässigen Schaltfrequenz wird die Temperatur des
Schaltelements als Gradmesser der thermischen Reserve
herangezogen. Dies erfordert die Messung der Temperatur des Schaltelements. Wird die Verlustleistung des Schaltelements mittels ohmscher Widerstände verteilt, so müssen auch diese Widerstände thermisch überwacht werden. Als Schaltelement kommt günstigerweise ein Leistungstransistor mit eingebauter thermischer Signalisierung zum Einsatz (z.B. Tempfet der Fa. Infineon) . Bei einer definierten Grenztemperatur wird ein zusätzlich eingebauter Thyristor gezündet, wodurch außerhalb des Leistungshalbleiters eine detektierbare Veränderung eines Spannungsteilers hervorgerufen wird. Die elektronische
Sicherung ist dabei so eingerichtet, dass Schaltbefehle bei Erreichen der Grenztemperatur blockiert werden. Zur verbesserten Bestimmung der Verlustleistung des
Schaltelements wird die Begrenzungszeit gemessen, während der das Schaltelement bei einem Einschalt- oder Ausschaltvorgang eines Verbrauchers im Linearbetrieb arbeitet. Mit der
Annahme, dass während des Linearbetriebs ein stetiges
Ansteigen bzw. Absinken der Verbraucherspannung vorliegt, ergibt sich aus dieser Begrenzungszeit die maximal mögliche Verlustenergiemenge pro Schaltvorgang. Die Bestimmung des thermischen Zustands des Schaltelements erfolgt mittels einer thermischen Zeitkonstante, die entweder bekannt oder in einfachen Versuchen bestimmbar ist. Es wird somit für jeden Verbraucher eine eigene maximale Schaltfrequenz ermittelt und der Steuerelektronik als Grenzwert vorgegeben. Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch die Bestimmung der tatsächlich auftretenden Verluste am Schaltelement durch Messung des Stroms durch das Schaltelement und der am
Schaltelement anliegenden Spannung über der Zeit. Damit lässt sich die thermische Situation nahezu exakt berechnen und die Leistungsfähigkeit der elektronischen Sicherung steigern.
Dabei ist es zweckmäßig, bei jedem Ein- oder Ausschaltvorgang die Verlustleistung möglichst genau zu ermitteln und in die Kalkulation der thermischen Situation einzubeziehen . Es werden dadurch bei kurz hintereinander auftretenden
Schaltspielen die thermischen Kapazitäten des Leistungsteils genutzt und nur bei einer drohenden Überlastung die Annahme weiterer Schaltbefehle unterdrückt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Sicherung, welche ein Schaltelement zur Abschaltung und/oder zur
Stromaufnahmebegrenzung eines elektrischen Verbrauchers umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass über eine
Fernsteuerungsschnittstelle Steuerbefehle für das
Schaltelement empfangen werden und dass das Schaltelement nur dann ein- oder ausgeschaltet wird, wenn die thermische
Belastung des Schaltelements innerhalb eines zulässigen
Bereichs liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Meldesignal generiert wird, wenn ein Schaltbefehl nicht umgesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass nach jedem Schaltvorgang ein
Bestätigungssignal generiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Schaltvorgang oder
mehreren Schaltvorgängen eine Verriegelungsdauer vorgegeben wird, während der kein weiterer Schaltvorgang durchführbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung des
Schaltelements ermittelt wird und dass keine Schaltvorgänge durchgeführt werden, wenn die thermische Belastung eine kritische Grenze erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung durch Messen der Temperatur des Schaltelements ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne , dass die thermische Belastung aus errechneten
Schaltenergieverlusten und/oder Durchleitungsverlusten des Schaltelements ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die am Schaltelement abfallende Spannung und der durch das Schaltelement fließende Strom gemessen werden und dass aus diesen Messwerten die Verluste des Schaltelements errechnet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten thermischen Belastung eine Abkühlzeit vorgegeben wird, während der keine Schaltvorgänge durchgeführt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über die Fernsteuerungsschnittstelle binäre Signale übermittelt werden.
11. Elektronische Sicherung, eine Steuerelektronik und ein Schaltelement umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fernsteuerungsschnittstelle zum Empfang von
Steuerbefehlen für das Schaltelement vorgesehen ist und dass die Steuerelektronik das Schaltelement nur dann ansteuert, wenn die thermischen Belastung des Schaltelements innerhalb eines zulässigen Bereichs liegt.
12. Elektronische Sicherung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitglied angeordnet ist, mittels dem eine Verriegelungsdauer festgelegt ist, während der kein weiterer Schaltvorgang durchführbar ist.
13. Elektronische Sicherung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Sicherung zur Ermittlung der thermischen Belastung des Schaltelements eingerichtet ist.
14. Elektronische Sicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichne , dass ein Mikrocontroller zur Errechnung von Schaltenergieverlusten vorgesehen ist.
15. Elektronische Sicherung nach einem der Ansprüche 11 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bedienelement vorgesehen ist, mittels dem zumindest eine Funktion der elektrischen Sicherung manuell abrufbar ist.
16. Elektronische Sicherung nach einem der Ansprüche 11 bis
15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Fernsteuerungsschnittstelle zum Anschluss an eine Daisy- chain-Kommunikationsverbindung eingerichtet ist, sodass Schaltbefehle und Meldungen für mehrere Sicherungen bzw. von mehreren Sicherungen weiterleitbar sind.
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