Elektronische Sicherung Electronic fuse
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine elektronische Sicherung, welche ein Schaltelement zur Abschaltung und/oder zur The invention relates to an electronic fuse, which is a switching element for switching off and / or for
Stromaufnahmebegrenzung eines elektrischen Verbrauchers umfasst sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektronischen Sicherung. Current consumption limit of an electrical consumer and a method for operating such an electronic fuse.
Elektrische Sicherungen finden überall dort Anwendung, wo Störfälle innerhalb einer elektrischen Anlage zu einer Electrical fuses are used wherever faults within an electrical system to a
Gefährdung von Mensch und/oder Maschine führen können. Danger to humans and / or machine.
Insbesondere bei Industrieanlagen ist der Einsatz Especially in industrial plants is the use
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 electronic fuses usual. Frequently several load branches are supplied by means of a power supply. Each load branch comprises one or more consumers, usually each of these load branches by means of a
elektronischen Sicherung am jeweiligen Ausgang der electronic fuse at the respective output of
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 Power supply is secured. In the event of a fault, currents are limited by a load branch and if the fault persists, the affected load branch is switched off. The current-limiting function of an electronic fuse offers the advantage over a conventional fuse that, if necessary, even in regular operation
Einschaltströme von Verbrauchern begrenzt werden können. Inrush currents of consumers can be limited.
Mit zunehmendem Einsatz von Schaltnetzteilen als With increasing use of switching power supplies as
Stromversorgungen mit deren exakter Strombegrenzung und zum eindeutigen Erkennen defekter Verbraucher finden Find power supplies with their exact current limit and for clear detection of defective consumers
elektronische Sicherungen immer mehr Verbreitung. Der electronic fuses are becoming more prevalent. Of the
Einbruch der Speisespannung wird im Falle eines Fall of the supply voltage is in the case of a
Verbraucherkurzschlusses verhindert, indem ein Consumer short-circuit prevented by a
Kurzschlussstrom mittels elektrischer Sicherung aktiv Short-circuit current active by means of electrical fuse
begrenzt wird.
Neben einer Absicherung jedes Lastzweigs besteht häufig der Bedarf, einzelne Lastzweige vorübergehend abzuschalten. is limited. In addition to securing each load branch, there is often the need to temporarily switch off individual load branches.
Gründe sind beispielsweise erforderliche Wartungsarbeiten oder schlicht Stromsparmaßnahmen. In den meisten Fällen handelt es sich aber um ein betriebsmäßiges Ansteuern Reasons are, for example, required maintenance or simply energy-saving measures. In most cases, however, it is a business tax
verschiedener Verbraucher (z.B. Magnetventile, Schützspulen, Stellmotoren etc.) various consumers (for example solenoid valves, contactor coils, servomotors etc.)
Im Fall von Stromsparmaßnahmen werden einzelne Lastzweige abgeschaltet, wenn die entsprechenden Anlagenteile nicht benötigt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die In the case of energy-saving measures, individual load branches are switched off if the corresponding system components are not required. It is important to ensure that the
Betriebszustände der gesamten Anlage und der einzelnen Operating conditions of the entire system and the individual
Anlagenteile immer eindeutig definiert sind, um jederzeit ein reibungsloses Hochfahren sicherzustellen. System parts are always clearly defined to ensure a smooth start-up at any time.
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 According to the state of the art 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
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. Fuse downstream. 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.
Infolge dieser Einschaltstrombegrenzung können kleiner dimensionierte Schaltrelais eingesetzt werden und die As a result of this inrush current limiting smaller dimensioned switching relays can be used and the
Lebensdauer der Schaltkontakte erhöht sich signifikant. Lifetime of the switch contacts increases significantly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten elektronischen Sicherungen insbesondere für den Einsatz in Industrieanlagen weiterzubilden. The invention has for its object to further develop the known from the prior art electronic fuses, especially for use in industrial plants.
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. According to the invention 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.
Dabei werden über eine Fernsteuerungsschnittstelle It will be via a remote control interface
Steuerbefehle für das Schaltelement empfangen und das Receive control commands for the switching element and the
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 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
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 overcome. Too high a switching sequence, for example as a result of a programming error, no longer leads to the wear of relay contacts or a sudden shutdown of the electronic fuse. Within an industrial plant usually a central plant control is arranged. This controls the switching function via the remote control interface
elektronischen Sicherung. Die Einschränkung, dass ein electronic fuse. The limitation that one
Schaltbefehl nur bei zulässigen thermischen Bedingungen ausgeführt wird, verhindert eine Beschädigung der Switching command is carried out only at permissible thermal conditions, prevents damage to the
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 electronic fuse. In particular, in industrial plants, this circumstance is of great importance, since the failure of a backup can mean the shutdown of the entire system. For reliability is therefore in many applications of electronic fuses placed great value. In a further development of the invention, a message signal is generated when a switching command is not implemented. This is a feedback option to a central
Anlagensteuerung gegeben. Es wird verhindert, dass aufgrund thermisch ungünstiger Gegebenheiten nicht durchgeführte Plant control given. It is prevented that not performed due to thermally unfavorable conditions
Fernschaltbefehle zu Fehlfunktionen einer Anlage führen. Remote switching commands lead to malfunction of a system.
Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass nach jedem Another improvement is that after each
Schaltvorgang ein Bestätigungssignal generiert wird. Eine Übertragung dieses Bestätigungssignals an eine Switching a confirmation signal is generated. A transmission of this confirmation signal to a
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 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
durchführbar sind. are feasible.
Eine einfache Ausführungsform der Erfindung ist dann gegeben, wenn nach einem Schaltvorgang oder nach mehreren A simple embodiment of the invention is given when, after a switching operation or after several
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 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
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 Loads of the safety components must not be exceeded. As a default for the locking period, a required cooling time for the switching element plus a safety margin is used. In this way it is ensured that a sufficient cooling takes place and a renewed switching operation does not leave the permissible range of the thermal load of the
Schaltelements führt. Kritische Zustände können auftreten, wenn das Schaltelement der elektronischen Sicherung beim Einschalten eines Lastzweigs einen großen Teil seiner 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
thermischen Kapazität dafür verwenden muss, Verbraucher im Strombegrenzungsbetrieb einzuschalten oder eine große
Induktivität mit ihrer Belastung von Freilaufkreisen 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
abzuschalten . to switch off.
Eine verfeinerte Ausführungsform sieht vor, dass die A more refined embodiment provides that the
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. 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.
In Einfacher Weise geschieht die Ermittlung der thermischen Belastung durch Messen der Temperatur des Schaltelements. In a simple way, the determination of the thermal load is done by measuring the temperature of the switching element.
Ein solcher physikalischer Messvorgang ist nicht Such a physical measuring process is not
erforderlich, wenn die thermische Belastung aus errechneten Schaltenergieverlusten und/oder Durchleitungsverlusten des Schaltelements ermittelt wird. Befindet sich die required if the thermal load from calculated switching energy losses and / or transmission losses of the switching element is determined. Is the
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 electronic fuse in a linear operation, that is, in a current-limiting operating state, the delay time is first determined in this linear operation. In addition to this retention time, the approximate calculation of the switching energy losses is the set
Sicherungsbegrenzungsstrom herangezogen. Für eine genauere Berechnung ist es sinnvoll, wenn zusätzlich die am Fuse limiting current used. For a more accurate calculation, it makes sense, if additionally the am
Schaltelement abfallende Spannung ermittelt wird. Durch Switching element falling voltage is determined. By
Integralbildung zumindest eines der genannten Parameter kann auf die thermische Auslastung des Schaltelements der Integral formation of at least one of the mentioned parameters can affect the thermal utilization of the switching element of the
elektronischen Sicherung geschlossen werden. be closed electronic fuse.
Noch präziser erfolgt die Berechnung der Verluste des Even more precisely, the calculation of the losses of the
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 Switching element, when the voltage drop across the switching element and the current flowing through the switching element current are measured. With this method, all losses occurring in the switching element are recorded, both the
Schaltenergieverluste als auch im normalen Betrieb Switching energy losses as well as during normal operation
auftretenden Durchleitungsverluste.
Vorteilhafterweise wird in Abhängigkeit der ermittelten thermischen Belastung eine Abkühlzeit vorgegeben, während der keine Schaltvorgänge durchgeführt werden. Dabei ist occurring transmission losses. Advantageously, depending on the determined thermal load, a cooling time is specified during which no switching operations are performed. It is
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 For example, the 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
Belastung zu längeren Abkühlzeiten führt. In einer besonderen Ausführungsform werden über die Load leads to longer cooling times. In a particular embodiment, over the
Fernsteuerungsschnittstelle binäre Signale übermittelt. Die Kommunikation der elektronischen Sicherung mit einer Remote control interface transmitted binary signals. The communication of the electronic fuse with a
übergeordneten Anlagensteuerung erfolgt dann beispielsweise mittels einfacher binärer Zustände. Dabei ist pro Funktion ein Kabel zwischen elektronischer Sicherung und der higher-level system control then takes place, for example, by means of simple binary states. It is per function a cable between electronic fuse and the
Anlagensteuerung vorgesehen. Alternativ dazu kann die Plant control provided. Alternatively, the
Kommunikation über Telegramme und binäre Zustände erfolgen, wodurch mehrere Signale bzw. Funktionen über eine einzige Leitung übertragbar sind. Insbesondere bei mehreren Communication via telegrams and binary states take place, whereby several signals or functions can be transmitted over a single line. Especially with several
Sicherungskanälen in einem Sicherungsgerät wird durch die Bündelung der Signalisierung in Form von Telegrammen der Verdrahtungsaufwand erheblich verringert. Backup channels in a backup device is significantly reduced by the bundling of the signaling in the form of telegrams, the wiring complexity.
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 A telegram transmission also allows the additional function that the fuse trigger value of the electronic fuse can be specified by means of a higher-level system control. In this way, a system can be trimmed from a control room. An electronic fuse according to the invention comprises an electronic control unit and a switching element, wherein a
Fernsteuerungsschnittstelle zum Empfang von Steuerbefehlen für das Schaltelement vorgesehen ist und wobei die Remote control interface is provided for receiving control commands for the switching element and wherein the
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 Control electronics, the switching element only controls when the thermal load of the switching element is within a permissible range. In one embodiment of the invention is a timer
angeordnet, mittels dem eine Verriegelungsdauer festgelegt ist, während der kein weiterer Schaltvorgang durchführbar ist . arranged, by means of which a locking period is determined, during which no further switching operation can be performed.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die elektronische Sicherung zur Ermittlung der thermischen Belastung des Schaltelements eingerichtet ist. Da eine elektronische Furthermore, it is advantageous if the electronic fuse is set up to determine the thermal load of the switching element. As an electronic
Sicherung in der Regel ohnedies einen MikroController umfasst, ist es günstig, wenn dieser zur Errechnung von Schaltenergieverlusten vorgesehen ist. Fuse usually without a microcontroller comprises, it is advantageous if this is provided for the calculation of switching energy losses.
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 . Finally, it is advantageous if 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.
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 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
zusammengefasste Sicherungen einen Kommunikationseingang und einen Kommunikationsausgang auf. Signale einer summarized fuses a communication input and a communication output. Signals one
Anlagensteuerung werden an eine Sicherung bzw. System control are connected to a fuse or
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 . Transfer backup group and passed from backup to backup. Likewise, messages about a backup or backup group are transferred to the central system control. As a result, a defective fuse can be exchanged without the need for a program or address change.
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. In den meisten Automatisierungsanlagen werden The invention will be explained in more detail below. In most automation systems will be
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 DC voltages used to supply a plant control and its peripherals. For many years one is worldwide standard of 24V DC voltage established and in use. This voltage is available as a control voltage
Verfügung. In manchen Anlagen kann diese Steuerspannung auch eine 230V-AC-Spannung sein oder eine beliebige andere Available. In some systems, this control voltage may also be a 230V AC voltage or any other
Spannung. Die Frequenz einer AC-Spannung ist dabei Tension. The frequency of an AC voltage is included
anlagenspezifisch festlegbar. Die Erfindung bezieht sich auf unterschiedlichste Versorgungssysteme, insbesondere aber auf Sicherungen für Gleichspannungssysteme, da diese am system-specific determinable. The invention relates to a variety of supply systems, but in particular to fuses for DC systems, as these on
häufigsten auftreten. most common.
Im Folgenden wird vornehmlich auf ein 24V-DC-Verteilsystem Bezug genommen. In der Regel werden bei Industrieanlagen Stromversorgungen eingesetzt, welche aus einer 230V- od. In the following, reference will be made primarily to a 24V DC distribution system. As a rule, power supplies are used in industrial plants, which consist of a 230V-.
400V-Versorgungsspannung eine 24V-DC-Steuerspannung erzeugen. Diese Stromversorgungen können ungeregelt (meist 50Hz 400V supply voltage generate a 24V DC control voltage. These power supplies can be unregulated (usually 50Hz
Transformatoren mit Gleichrichter) oder geregelt (meist getaktete Netzteile) ausgeführt sein. Transformers with rectifier) or regulated (usually clocked power supplies) be executed.
Die Steuerung einer Industrieanlage erfolgt mittels einer zentralen Steuerung, beispielsweise einer SIMATIC der Fa. Siemens. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung kommt The control of an industrial plant takes place by means of a central control, for example a SIMATIC from Siemens. The advantage of the present invention comes
insbesondere dann zum Tragen, wenn diese übergeordnete especially if this parent
Anlagensteuerung mit einer erfindungsgemäßen Sicherung zum Zu- und Wegschalten des entsprechenden Lastzweigs verbunden ist. Plant control is connected to a fuse according to the invention for connecting and disconnecting the corresponding load branch.
Für die Übertragung eines Schaltbefehls können bekannte For the transmission of a switching command known
Standardlösungen herangezogen werden. Zum Beispiel ist ein Übertragungskanal der elektrischen Sicherung mit einem Standard solutions are used. For example, a transmission channel of the electrical fuse with a
Digitalausgang der übergeordneten Anlagensteuerung mittels eigener Leitung verbunden. Übermittelt wird entweder ein einfaches Ein-Aus-Signal oder es werden mittels eines Digital output of the higher-level system control connected by means of its own line. Either a simple on-off signal is transmitted or it is transmitted by means of a
Telegramms definierte einzelne Schaltkanäle einer Telegram defined individual switching channels one
mehrkanaligen elektronischen Sicherung angesprochen. Die elektronische Sicherung ist auch über ein beliebiges multi-channel electronic fuse addressed. The electronic fuse is also about any
standardisiertes Datenbusnetz (z.B. Profinet) anschließbar.
Vor allem ein Zuschalten von Lastzweigen, das heißt ein standardized data bus network (eg Profinet) can be connected. Above all, a connection of load branches, that is a
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 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. One
Einschaltstrom ist besonders groß, wenn es sich um Inrush current is especially great when it comes to
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 Consumer with a high capacitive content. When closing the switching element, the current is only due to parasitic resistances of lines and connection terminals, by internal resistances of output capacitors
Stromversorgung sowie durch Innenwiderstände von Power supply as well as by internal resistances of
Verbraucherkondensatoren begrenzt . Consumer condensers limited.
Eine massive Belastung des Schaltelements entsteht A massive load of the switching element arises
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 in particular, if the consumers have starting currents which are significantly higher than the continuous operating currents. Without suitable measures, this would lead to an overload of the supplying power supply and subsequently to an unacceptable drop in the supply voltage. An electrical fuse is therefore to the linear
Strombegrenzung eingerichtet. Der Verbraucherstrom wird dabei auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Im Schaltelement können während eines solchen Linearbetriebs massive Current limit set up. The load current is limited to a predetermined maximum value. In the switching element massive during such a linear operation
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 Power losses occur. 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
Ausgangskondensatoren hohe Ströme aufnehmen. Verbraucher mit an sich nichtlinearen Anlaufströmen führen demnach zu einer zeitlich auf den AnlaufVorgang begrenzten zusätzlichen Output capacitors record high currents. Consumers with intrinsically non-linear starting currents thus lead to an additional time limited to the start-up process
Belastung des Schaltelements. Loading of the switching element.
Das Schaltelement ist vorteilhafterweise als The switching element is advantageously as
Leistungstransistor ausgebildet. Eine Alternative stellt ein abgestuftes Netzwerk von Leistungswiderständen mit Power transistor formed. An alternative is a graded network of power resistors
überbrückenden mechanischen Kontakten dar. In jedem Fall muss
das Schaltelement bzw. müssen mehrere Schaltelemente den Strom am Ausgang stufenlos oder in Stufen begrenzen können. bridging mechanical contacts. In any case, must the switching element or several switching elements must be able to limit the current at the output continuously or in stages.
Generell sind Verbraucher zu berücksichtigen, welche aufgrund von kapazitiven Anteilen hohe Einschaltströme oder aufgrund von induktiven Anteilen hohe Abschaltspannungen am In general, consumers are to be considered, which due to capacitive shares high inrush currents or due to inductive shares high cut-off voltages on
Schaltelement hervorrufen. Schaltet das Schaltelement derartige Verbraucher, treten thermische Belastungen des Schaltelements auf, welche eine notwendige Abkühlzeit zwischen zwei Schaltvorgängen erfordern. Die Dauer der Cause switching element. Switches the switching element such consumers, thermal stresses of the switching element occur, which require a necessary cooling time between two switching operations. The duration of the
Abkühlzeit bestimmt sich einerseits aus der auftretenden thermischen Belastung und andererseits aus der Spezifikation des Schaltelements sowie den Kühlungsbedingungen. Die 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. The
thermische Belastung lässt sich aus den Schaltverlusten und den Durchleitungsverlusten bestimmen, die thermische thermal load can be determined from the switching losses and the conduction losses, the thermal
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 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
Frequenz, mit der ein Verbraucher bzw. Lastzweig geschaltet werden kann. Frequency with which a load or load branch can be switched.
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 In order to keep the thermal load of the switching element within the allowable range, remote switching commands are blocked according to the invention if a system controller would turn a consumer too often on and off. Especially with complex systems with proprietary controls, an accumulation of such cases can be assumed. In addition, in the
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 Plant engineering Short project times are the rule, whereby a detailed calculation of all loads and thus a safe dimensioning of all switching elements is not always possible. In the simplest case, a control electronics present in the fuse (eg microcontroller) is given a fixed limitation of the switching frequency. Between two switching games So a fixed minimum cooling time must pass. Should during a corresponding lock period on
Schaltbefehl empfangen werden, blockiert die Steuerelektronik diesen Befehl und meldet dies der übergeordneten Switch command are received, blocks the control electronics this command and reports this to the parent
Anlagensteuerung. Die elektronische Sicherung ist dabei gegebenenfalls so eingerichtet, dass ein blockierter System control. The electronic fuse is optionally set up so that a blocked
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 . 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.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die A further embodiment provides that the
Schaltvorganganzahl pro Zeiteinheit begrenzt wird. Eine Switching operation per unit time is limited. A
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. Frequency of switching operations is accepted if a correspondingly long cooling time follows. In this case, for example, 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.
In einem vorteilhaften Verfahren zur Bestimmung der maximal zulässigen Schaltfrequenz wird die Temperatur des In an advantageous method for determining the maximum permissible switching frequency, the temperature of
Schaltelements als Gradmesser der thermischen Reserve Switching element as a gauge of the thermal 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 used. This requires the measurement of the temperature of the switching element. If the power loss of the switching element distributed by means of resistive resistors, so these resistors must be thermally monitored. As the switching element, 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. The electronic
Sicherung ist dabei so eingerichtet, dass Schaltbefehle bei Erreichen der Grenztemperatur blockiert werden.
Zur verbesserten Bestimmung der Verlustleistung des Fuse is set up so that switching commands are blocked when the limit temperature is reached. For the improved determination of the power loss of the
Schaltelements wird die Begrenzungszeit gemessen, während der das Schaltelement bei einem Einschalt- oder Ausschaltvorgang eines Verbrauchers im Linearbetrieb arbeitet. Mit der Switching element, the limiting time is measured during which the switching element operates at a switch-on or switch-off of a consumer in linear operation. With the
Annahme, dass während des Linearbetriebs ein stetiges Assuming that during the linear operation a steady
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 As the consumer voltage rises or falls, 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
Schaltelement anliegenden Spannung über der Zeit. Damit lässt sich die thermische Situation nahezu exakt berechnen und die Leistungsfähigkeit der elektronischen Sicherung steigern.Switching element voltage applied over time. This makes it possible to calculate the thermal situation almost exactly and to increase the efficiency of the electronic fuse.
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 It is expedient to determine the power loss as accurately as possible with each switching on or off and include in the calculation of the thermal situation. It will thereby occur in quick succession
Schaltspielen die thermischen Kapazitäten des Leistungsteils genutzt und nur bei einer drohenden Überlastung die Annahme weiterer Schaltbefehle unterdrückt.
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.