EP4527001A1 - Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation - Google Patents

Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation

Info

Publication number
EP4527001A1
EP4527001A1 EP23738686.7A EP23738686A EP4527001A1 EP 4527001 A1 EP4527001 A1 EP 4527001A1 EP 23738686 A EP23738686 A EP 23738686A EP 4527001 A1 EP4527001 A1 EP 4527001A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
power
signal
current
monitoring
switching
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.)
Pending
Application number
EP23738686.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas CANET
Christian KNEIFEL
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.)
Schneider Electric Industries SAS
Original Assignee
Schneider Electric Industries SAS
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 Schneider Electric Industries SAS filed Critical Schneider Electric Industries SAS
Publication of EP4527001A1 publication Critical patent/EP4527001A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/14—Electrothermal mechanisms
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/20—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for electronic equipment
    • 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
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/05—Details with means for increasing reliability, e.g. redundancy arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to abnormal fluid pressure, liquid level or liquid displacement, e.g. Buchholz relays

Definitions

  • Controllable power switching device power switching method, socket, consumer installation
  • the invention relates to a controllable power switching device, a power switching method, a socket and a consumer installation, such as a circuit breaker, for example. B. for blinds, according to the independent requirements.
  • Fig. 6 The general topology within which this occurs is shown in Fig. 6, as understood without the boxes 10, 10', 10" and Sb.
  • 69 denotes an electrical power drawing device, for example a washing machine. It is indicated as Consumer 61, for example, has an electric motor. It has a main switch 62, which can be operated by the operator. In addition, other regular switches and operating elements can be provided, which are not shown in Fig. 6.
  • An electrical line is indicated at 64, and an electrical line is indicated at 63 Plug The plug 63 can be plugged into a Socket 65 can be plugged in, which can be provided as a wall installation, for example.
  • This socket 65 in turn is connected - usually flush-mounted - with lines 1, 2, 3, L, N to a power source, the line being protected by a circuit breaker 4.
  • the circuit breaker 4 has certain switch-off characteristics, on the one hand, with regard to short-term overloads, for example due to a short circuit, or with regard to long-term overloads.
  • the circuit breaker has a specific nominal value, for example 16 A in domestic installations. If the nominal value is exceeded significantly, for example in the event of a short circuit, it must switch off quickly (within a few milliseconds). In the case of less severe overshoots, for example due to a motor that is blocked and therefore drawing more current than usual, it must also switch off, although this can happen more slowly. These requirements are specified normatively.
  • the quick shutdown can be carried out electromagnetically. Switching off due to overheating can be achieved using bimetal. At least one of the power lines passes through the circuit breaker 4, preferably the phase conductor L, and can be interrupted there if necessary.
  • the object of the invention is to provide a controllable power switching device, a power switching method, a socket and a consumer installation that can be switched with extended functionalities and that the switch is protected in a realistic manner.
  • a controllable power switching device has a power switch for switching a power supply line, a control input for receiving a control command and for generating a control switching signal in accordance with the control command, a power monitoring device for observing a power-relevant quantity on the power supply line and Generating a monitoring switching signal in accordance with the observation result, and a switch control device for controlling the circuit breaker with a switch control signal in accordance with the control switching signal and the monitoring switching signal.
  • current amplitudes are not primarily evaluated, but performance-relevant variables are considered. Its evaluation can be carried out with regard to one or more characteristics of the circuit breaker itself, such as its internal resistance, its thermal insulation possibly provided by the installation and similar variables. This results in a measure of the power loss that occurs and accumulates in the power switching device itself. The observation can be such that values that are characteristic of the energy input into the power switching device are determined and evaluated. This can be done by considering, for example, the internal resistance of the power switching device and other relevant variables.
  • the power monitoring device may have a current measuring device for measuring a current flowing in the power supply line, which can continuously generate individual current measurement values In according to a sampling. These individual current measurement values In can be taken directly as current signals Im or short-term average values of several, preferably successive measurement results can be determined from them, which are taken as the current signal Im, which are used to determine a monitoring signal.
  • the current is the variable quantity that is relevant for the power loss in the supply line, in particular in the power switching device.
  • the current can be a suitable analog signal can be detected by scanning. It can be digitized and then further processed digitally or otherwise appropriately.
  • the current values Im can be squared and then integrated over a suitable period of time, in particular a full wave or a multiple thereof, which can be done digitally in order to determine an effective power value signal Im2.
  • the sampling frequency can be chosen according to the Nyquist criterion to be at least twice the highest harmonic to be detected. Calibration values can be taken into account.
  • the effective value determination can also be done via filtering.
  • sampling or current signal determination or power effective value determination does not have to be carried out constantly. It can occur “occasionally”, such as every second or once a minute. The current result is then saved and used until updated.
  • the power loss in the power switching device is converted into heat. If, on the one hand, more power loss corresponding to heat is continuously supplied than dissipated, the power switching device initially becomes warm and later hot and can then be destroyed or catch fire. However, this does not happen immediately. Opposite effects are cooling through heat diffusion. The higher the temperature gradient from the heat source to the environment, the stronger it is.
  • the power monitoring device can therefore have an autoregressive averaging device which calculates the current monitoring signal from the most recent power effective value signal Im2 according to the following formula:
  • Uesa k*lm2 + (l-k)*Uesv
  • Uesa the current monitoring signal
  • Uesv the previous monitoring signal
  • Im2 the most recent power effective value signal Im2
  • k is a predetermined weighting factor between 0 and 1.
  • the effective power value signal Im2 is a measure of the current power input.
  • the previous monitoring signal Uesv is on Image of the service entry and outflow history.
  • the value k can be comparatively small, such as 0.01 or 0.005 or even smaller. However, it is greater than 0.
  • the formula shown is sufficiently suitable for replicating real processes. If steady conditions prevail, such as a stable effective power value signal Im2, sooner or later an equilibrium will also be achieved mathematically at a subcritical or possibly critical or supercritical level. The formula reflects this. It also leads to a limit value if the conditions are constant.
  • the limit value is determined not only based on the measured values or effective power value signal Im2, but also based on the selectable parameters k and the computing frequency.
  • the calculation frequency and the parameter k can therefore be used to adapt the resulting curve to reality. Because of the weighted calculation against the history, short overcurrents do not lead to false shutdowns, unlike when considering the current alone.
  • the power monitoring device can have a factor setting device that sets the weighting factor k, in particular in such a way that it is set to a predetermined first factor value if the current power effective value signal Im2 is greater than the current monitoring signal Uesa, and otherwise to another predetermined second factor value that is smaller can be as the first factor value. If the two are equal, the current factor value can be retained. Instead of the current monitoring signal Uesa, the previous monitoring signal Uesv can also be used for the comparison.
  • the primary determining factor for the inflow is the power input in accordance with the power loss as explained above.
  • the primary factor determining heat dissipation is the degree of insulation of the circuit, which is predictable to a certain extent, and the temperature gradient compared to the environment.
  • the performance monitoring device may have a comparison device which is designed to generate the monitoring switching signal in accordance with the comparison of the current monitoring signal with a threshold value.
  • the switch control device can have a threshold value generating device for generating the threshold value in accordance with a previously entered and stored parameter, in particular an internal resistance of the power switching device or a relevant component therein.
  • the threshold value generating device provides a further parameter with which the switch-off characteristic can be determined.
  • the device parameter is described above as being used to generate a threshold value, it should be noted that it can be used instead or also for determining the monitoring signal. It is essential that the power-correlated signal and the threshold value are meaningfully calibrated relative to one another.
  • the power switching device can have a setting device for inputting or determining and storing the sampling frequency of the current measuring device, the current measuring device being designed to use the current measuring device in the Power supply line to sample the current flowing, in particular its effective value or a signal correlated therewith, according to the set sampling frequency for measurement and, if necessary, to form an average from several sample values in order to form the current signal.
  • the sampling frequency for current measurement is a relevant parameter that, among other things, determines the required computing power. It can be set with regard to the expected temperature dynamics.
  • the sampling frequency can be less than 10 or 5 or 2 Hz.
  • the power switching device can have an A/D converter for A/D conversion of the current measurement value, in particular the measured effective value or correlated signal, and a digitally operating circuit for digital further processing of the digital output of the A/D converter.
  • the current measuring device can have a serial measuring resistor or an inductive tap.
  • the circuit breaker may include a relay and the switch control device may include a relay driver circuit configured to generate a relay drive signal in response to the switch control signal.
  • the signal evaluation and processing to be carried out can be carried out in a suitable electronic circuit. It can be a fully or partially integrated circuit. It can work largely digitally and then lie between the analog/digital converter (A/D converter) at the input and the driver at the output.
  • the circuit can be or have an ASIC. It can be a small microcomputer with the usual computer components such as RAM, ROM, CPU, registers, input and output interfaces and bus.
  • a measuring resistor, also called a "shunt" can be located in series in the switched line. It is comparatively small in order to produce a small voltage drop and small power input. The voltage drop along the measuring resistor is proportional to the current flowing in it, i.e.
  • the current can also be tapped inductively.
  • the electrical voltage on the power supply line is usually alternating voltage, which can be tapped inductively or via magnetic effects.
  • the advantage of inductive or magnetic tapping is that it produces practically no voltage drop of its own.
  • the disadvantage is that the sensor technology and possibly the further processing into an evaluable signal is more complex.
  • the measuring resistor or inductive tap will also generate an alternating signal as the measuring signal. It can be analog rectified and smoothed before it is sampled.
  • the circuit breaker itself can be a relay, in particular an electromechanical relay, and/or a power semiconductor.
  • a suitable driver circuit is provided.
  • the power semiconductor can be or have a FET or a MOSFET or an IGBT or a TRIAC or a combination thereof, e.g. B. a TRIAC combined with a MOSFET.
  • the power switching device described can be installed in a consumer or in a line component. It can be built into a socket that can be installed in a building wall. Accordingly, a socket has at least one supply connection for connection to a power supply line, plug contacts for inserting a plug of a consumer, and between the supply connection and at least one of the plug contacts a power switching device as described.
  • the power switching device can also be installed directly in a consumer installation, for example in a washing machine or similar, whereby the provision of the power switching device in the respective plug of the device or machine is included here.
  • This installation also allows additional functionalities, such as remote control of the respective device.
  • a consumer installation has an electrical consumer, a connection to an electrical power network, between the electrical consumer and the connection of a user switch for switching electrical power for the consumer and between the electrical consumer and the connection of a power switching device as described.
  • the power switching device is provided in addition to the conventional device switch.
  • the power switching device can also be housed separately. It can be dimensioned for installation in a built-in niche, for example for installation in a standardized flush-mounted box. It can be dimensioned for installation in a flush-mounted box under another component, such as a socket or a switch or button or dimmer, and can therefore be flat or dimensioned accordingly. It can also be designed and enclosed for row installation. It can be designed for DIN rail mounting in a distribution or sub-distribution. It can also be designed as an adapter plug. The adapter plug can be designed as a plug-in device for a normal socket, i.e. wirelessly.
  • the invention also relates to a power switching method with the steps of observing a power-relevant variable on a power supply line with a circuit breaker therein and generating a monitoring switching signal in accordance with the observation result, and controlling the circuit breaker to switch a power supply line in accordance with the monitoring switching signal.
  • the circuit breaker can be controlled in accordance with a characteristic value of the circuit breaker, in particular its internal resistance.
  • the power switch can also be activated in accordance with a further criterion, which corresponds to the primary function of the power switching device.
  • the method can generally include those steps that are described above implemented by certain equipment, in particular also the calculation of the current monitoring signal as described above, the threshold value comparison, the determination of the respective system parameters, the sampling and A / D conversion and additional.
  • Fig. 6 further installation options for the power switching device
  • Fig. 7 shows the image of a real device.
  • Fig. 1 shows a power switching device 10 installed at an abstractly illustrated installation location 50. To the right of it, an electrical consumer 9 is shown schematically. For example, it could be lighting or an electrical device. To the left of the power switching device 10 is the electrical power network. Usually it will be an alternating current network, for example for Germany an alternating voltage network with 230 V effective value and 50 Hz. The power is between a neutral line N, 3 and a phase conductor L, 2 and is tapped from there via branch lines 2a, 3a.
  • the power tap is usually protected with a circuit breaker 4, the properties of which are regulated by standards. It was described at the beginning. At least one of the power lines passes through the circuit breaker 4, preferably the phase conductor L, and can be interrupted there as described if necessary.
  • At least one of the power conductors 2, 3 passes through the power switching device 10, preferably the phase conductor L, 2, 2a, 2b.
  • the power switching device 10 preferably the phase conductor L, 2, 2a, 2b.
  • 11 symbolizes a circuit breaker that is designed to carry the expected power, in particular the expected current. It can be a relay or a act as power semiconductors. In any case, it also has an internal resistance, for example a contact resistance in a relay, or the usual semiconductor thresholds in a semiconductor, so that heat is generated in accordance with this voltage drop when current flows.
  • the circuit breaker 11 is primarily used to implement an additional switching function such as the described remote control or motion- or gesture-sensitive control or similar.
  • a control input 12 is provided, which carries out this primary function and can ultimately also act on the circuit breaker 11.
  • Graphically indicated is a remote control that sends a control command Sb, which is received at the control input 12 and further processed appropriately and leads to a control switching signal Rss.
  • a power monitoring device 13 is also provided. It observes the transmitted power and uses it to generate suitable switching signals, which can also act on the circuit breaker 11. In particular, if it is determined that the power switching device 10 is overheating, this may result in the switch 11 opening, so that the power flow is interrupted and the device cools down.
  • the power monitoring device 13 thus generates a monitoring switching signal Uess.
  • the control input 12 generates a control switching signal Rss.
  • 14 shows a switch control device which receives the control switching signal Rss from the control input 12 in accordance with the primary function and the monitoring switching signal Uess from the power monitoring device 13 in accordance with a monitoring function or secondary function.
  • a switch control signal Sss which is used overall to control the circuit breaker 11.
  • Resetting the shutdown i.e. switching it back on after switching off due to performance monitoring, can be done according to several strategies. It can e.g. For example, the observation algorithm simply continues to run, but uses a different, lower threshold value to switch it on again, hysteresis-like. Normal switching activities for the required power and/or switching on the circuit breaker, here e.g. B. a short off-on pattern, can be monitored and used to detect it to switch it back on.
  • a switch or button can also be provided on the power switching device itself, which enables manual switching on again, possibly after entering a predetermined switching or keying pattern, for example several keys in quick succession.
  • a warning mechanism or alarm device can be provided which is activated during the observation-related shutdown.
  • the switch control device 14 can have a driver circuit which, if necessary, generates the necessary analog signals from digital signals in order to control the power switch 11.
  • Fig. 1 shows an embodiment in which both power conductors L, 2 and N, 3 are passed through the power switching device 10. Accordingly, the power switching device 10 itself has connections 18a, 18b, 19a, 19b, or the installation environment 50 has connections 58a, 58b, 59a, 59b. However, it is not necessary for both power conductors 2, 3 to be routed through the power switching device 10. Only one of the two can be used to switch the power Power switching device 10 can be carried out. In Fig. 1, the branch line away from the neutral conductor N, 3 would not run through the power switching device 10.
  • Fig. 2 shows features of the power monitoring device 13. It can carry out a current measurement. Shown is a measuring resistor 21 connected to the power line 2i, L, often also referred to as a “shunt”. When current flows through the line 2i, L, a voltage drop occurs along the measuring resistor 21, which can be recorded and preprocessed in a measuring circuit 22.
  • the measuring circuit can have a sample-and-hold amplifier with subsequent analog/digital conversion - A/D conversion, symbolized together by reference number 22a.
  • the sample-and-hold amplifier 22a can perform the sampling according to a predetermined sampling frequency.
  • the specification can come from a setting device 25.
  • a first short-term averaging 22b can also take place here by forming an average from a few time-series measured values. It averages over less than a half-wave, for example less than 20 or 10 or 5 consecutive measured values.
  • the sampling frequency can be above 1 or 2 or 5 or 10 kHz. It can be below 20 or 10 kHz.
  • the averaging can record values, in particular unsigned amounts, over a half-wave or full-wave or multiples thereof.
  • Im Io * sin(cnt) where Io is the current amplitude, in which is 2 n times the network frequency and t is the time.
  • loads can have an impact on the supply, so that waveforms that deviate significantly from the ideal curve can arise at the supply input.
  • the current signal can be used to determine power.
  • a squaring and integrating device 23 is shown, which receives the current signal Im, squares it and integrates it over a reasonable period of time, in particular over a half-wave or full wave or a multiple thereof, and thus generates and outputs a power effective value signal Im2.
  • integrated can also refer to averaging or filtering (especially low pass).
  • the device 23 can work or calculate digitally.
  • the effective power value signal Im2 is a measure of the power loss occurring in the power switching device 10. The latter is made up of the individual power losses on the measuring resistor 21, on the circuit breaker 11, on the internal lines and on the terminals.
  • an inductive or magnetic tap can also be used to measure the current flowing in the power line 2i, L. It can e.g. B. Hall sensors can be used for a magnetic pickup. An alternating signal is created both along a measuring resistor 21 and with an inductive or magnetic tap when alternating current flows.
  • the effective power value signal Im2 from the squarer and integrator 23 is the image of the current power loss input into the power switching device 10. However, it does not represent the overall prevailing conditions, because these also depend on the previous history, in particular on how long and how high the power input was before. A short input of power loss can be harmless and does not have to lead to the device being switched off due to the risk of overheating. Additional devices are therefore provided in order to be able to generate a monitoring signal that meaningfully represents real conditions. An averaging device 24 is provided for this purpose. In particular, an autoregressive average can be formed here by adding the new effective power value signal to the previous signal in a weighted manner according to the formula
  • Uesa K • Im2 + (1 - k) • Uesv (Formula 1) where Uesa is the current monitoring signal, Uesv is the previous monitoring signal, Im2 is the most recent power RMS signal and K is a predetermined weighting factor between 0 and 1.
  • the power RMS signal Im can be determined as described above or in another manner.
  • the factor k can be comparatively small. It can be less than 0.5 or 0.2 or 0.1 or 0.05 or 0.02 or 0.01 or 0.005.
  • the effective power value signal “slowly” influences the current monitoring signal, which, similar to compensation processes, slowly follows the effective power value signal.
  • Formula 1 above can be used for this because it is easy to implement and only requires basic arithmetic and a few registers for processing.
  • Fig. 3 shows schematically a circuit for implementing Formula 1 above.
  • the structure shown represents the averaging device 24 in FIG. 2. It receives the power effective value signal Im2 on the left and outputs the current one on the right Monitoring signal Uesa off. Clocked in discrete digital signal processing, an addition is made at the summing point 32, namely the effective power value signal Im2 weighted by the factor K and the current feedback weighted monitoring signal weighted by the factor 1 - K, which then logically represents the previous monitoring signal Uesv.
  • Fig. 35 symbolizes a factor setting device that sets the factor k used in the multipliers 31 and 34. Simple embodiments in which the factor is fixed are conceivable. In contrast, Fig. 3 shows a more complex embodiment in which the factor k should and can be set to values kl or k2 depending on whether the temperature increases or decreases. This takes into account the idea that these physical effects are determined by different circumstances and are therefore advantageously not calculated in the same way.
  • the heating rate is determined based on the power input, while the cooling rate is determined by compensation processes compared to the environment. This can be determined empirically in advance and can then be written into the device when manufacturing it in the form of two factors kl and k2, which are used for one case or the other.
  • the factor setting device 35 can be designed to detect whether there is a rise or fall in temperature. It can be obtained by comparing the sizes of the effective power value signal Im2 and the current monitoring signal Uesa. If the former exceeds the latter, there is a temperature increase and one of the factors k can be used. Otherwise, the other one can be used.
  • the previous monitoring signal Uesv can also be used to compare the effective power value signal.
  • signal processing in one embodiment can be listed as follows:
  • the determination of the power RMS value Im for use in autoregression can be done by a specialized IC.
  • a specialized IC For example, the ADE9153A chip from Analog Devices and the method implemented therein can be used.
  • the switch control device 14 It generates and outputs a switch control signal Sss. On the one hand, it receives the control switching signal Rss to control the circuit breaker according to the desired primary function. On the other hand, it receives the monitoring switching signal, which reflects the monitoring result of the internal temperature.
  • the two signals are linked together in a suitable manner and then fed to a driver circuit 42.
  • the link can be an ORing in such a way that the switch control signal Sss e.g. B. a switch-off signal (interrupting the Power line 2i is generated by opening the switch) if either the control switching signal Rss or the monitoring switching signal requires this.
  • the power switching device can have several parameter sets (e.g. sampling frequency and/or values k, kl, k2 and/or threshold value Sw and/or calibration values) stored in a selectable manner and a selection device have for this purpose.
  • the parameter sets can each contain one or more or all of the parameters explained in this description and possibly further parameters. When one of them is selected via the selector, its parameters are set and used for the operation of the power switching device.
  • the power switching device and in particular the one used in operation, e.g. B. previously entered or permanently written or selected parameter set can be or will be adapted to typical installation situations or electrical operating environments of the power switching device, e.g. B. on the properties of a circuit breaker and/or an intended consumer.
  • Several selectable stored parameter sets can then represent several such installation situations or electrical operating environments.
  • 5A to 5F each show exemplary time courses of different sizes.
  • the abscissa indicates the time course in measuring points, assuming two measurements per second.
  • the 3500 clearing points displayed correspond to a time of 1750 seconds and therefore almost half an hour.
  • 53 denotes the measured current value, for which the ordinate 52 is given on the right of the graphic.
  • 54 denotes the computationally determined current monitoring signal Uesa, for which the ordinate 51 is indicated on the left.
  • 55 denotes a maximum permissible continuous current of the power switching device, for which the ordinate is again given as 52 on the right.
  • 56 denotes the threshold value Sw from device 26, for which the ordinate 51 on the left applies.
  • a continuous overload of 25 A is assumed. They lead to an increase in the monitoring signal Uesa according to curve 54.
  • the maximum permissible continuous current is assumed to be 18 A.
  • curve 53 assumes a current of just under 18 A, which is just below the permissible continuous current of 18 A according to curve 55. Stable conditions then also arise for the calculation described.
  • 56 again shows the threshold value corresponding to the permissible 18 A continuous current.
  • the stable calculation value according to the current monitoring signal Uesa in curve 54 is just below the threshold value of curve 56, so that the device, i.e. the power switching device 10, can work continuously without interruption.
  • 5D shows an example with a prolonged current peak at the beginning of operation of a device, as indicated by curve 53. Accordingly, the calculated value Uesa of the current monitoring signal also climbs to values above the threshold value according to curve 56, so that at approximately calculation time 300, corresponding to 150 seconds or 2 1/2 minutes , a shutdown would occur and the current immediately drops to 0.
  • the experimentally assumed case is shown in which the invention is not used and the current is not switched off, but instead drops to significantly smaller values on its own. Accordingly, the calculation value also decreases and falls below the calculation threshold value 56 at approximately calculation time 1200. After switching off according to the invention at calculation time 300, switching on again can take place using one of the previously mentioned strategies.
  • Fig. 5E shows the same current curve 53 as Fig. 5C. However, it is assumed that there was already a different device history beforehand, so that the calculated value of the current monitoring signal according to curve 54 starts at a higher value than in FIG. 5C and therefore also exceeds the threshold value 56, unlike in FIG. 5C.
  • Fig. 5F shows the current waveform of a device that pulsates.
  • a device that pulsates.
  • it can be a washing machine that heats continuously (base current of about 8 A) and in which the drum is occasionally, but not always, rotated, resulting in current peaks of 20 A according to curve 53.
  • the calculated value of the current monitoring signal Uesa 54 pulsates accordingly but not above the relevant threshold value 56. So it is not switched off.
  • FIG. 6 shows further installation options for the power switching device 10.
  • an electrical device 69 for example a washing machine.
  • This can be, for example, a household appliance or an industrial device or a machine.
  • 62 symbolizes the conventional switch of the device.
  • 10 is the power switching device 10 as described, which is provided in addition to the conventional switch 62.
  • 61 is the actual consumer, such as a motor.
  • the control command is indicated, which can be supplied wirelessly to the power switching device 10.
  • the power switching device 10 in the device 69 itself, it can be provided in its plug 63, which is indicated by reference number 10 ', or in an intermediate plug.
  • the connector can then be bulkier than usual, but can then provide the extended functionality regarding switching.
  • the primary function is symbolized by the dashed line indicating a control command that has been supplied.
  • FIG. 6 Another alternative to the options for installing the power switching device 10 previously described in FIG. 6 is to provide it in a socket 65. This is indicated by reference number 10" in Fig. 6. It would also receive a control command Sb according to the desired primary function, for example, and otherwise work as described above.
  • the power switching device 10 can also be accommodated in a control cabinet or cable or another suitable location be.
  • Fig. 7 shows a prototype. An installation according to reference number 10" in FIG. 6 is assumed, i.e. integrated in or with a socket that can be installed in a building wall, for example in a flush-mounted box. This can correspond to the installation environment 50 in FIG. 1.
  • the socket 65 points the contacts 71 for a suitable plug.
  • FIG. 7 shows the view from the front on the left and the view from the back on the right.
  • the power switching device 10 On the back are the usual power line connections 72L for the phase conductor 2, L, 72N for the neutral conductor 3 and 72S for the protective conductor 73 is the power switching device 10 that is permanently installed in the socket, with the relay that forms the circuit breaker 11 in particular being visible in Fig. 7.
  • 74 is a receiver structure on the front of the socket 65, with the one for the desired primary function
  • a control command can be received wirelessly from the power switching device 10, which can then be used, as described, to control the relay 73.
  • the receiver structure can also have an input option for users, for example to command the switching back on after switching off. This can be done manually, mechanically or wirelessly.
  • the values necessary for calibration can be determined empirically and written into the device in an electronically usable manner.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung (10) hat einen Leistungsschalter (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i), einen Steuerungseingang (12) zum Empfangen eines Steuerungsbefehls (Sb) und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals (Rss) nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) zum Beobachten der über die Leistungsversorgungsleitung (2i) transportierten Leistung und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und eine Schaltersteuerungsvorrichtung (14) zur Steuerung des Leistungsschalters (11) mit einem Schaltersteuerungssignal (Sss) nach Maßgabe des Regelschaltsignals (Rss) und des Überwachungsschaltsignals (Uess).

Description

Beschreibung
Steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, Leistungsschaltverfahren, Steckdose, Verbraucherinstallation
Die Erfindung betrifft eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, ein Leistungsschaltverfahren, eine Steckdose und eine Verbraucherinstallation, etwa einen Leistungsschalter z. B. für Jalousien, entsprechend den unabhängigen Ansprüchen.
Immer öfter wird es gewünscht, elektrische Verbraucher mit erweiterten Funktionalitäten schalten zu können, insbesondere solchen, die nicht im Gerät selbst anfänglich angelegt sind. Beispiele hierfür sind Fernbedienungen (entweder drahtlos oder über einen Netzwerkanschluss), Nebenstellen-Bedienanschlüsse, Betätigung durch Bewegungsmelder oder Gestenerkennungsvorrichtungen, umgebungsabhängige Steuerung (z.B. nach Maßgabe von Temperatur und/oder Helligkeit), oder auch das Schalten aller Leistungsleitungen, also L und N. Um solche Anforderungen erfüllen zu können, werden zunehmend weitere Schalter in den Geräteversorgungsstrang eingeschaltet, die dann das Schalten des elektrischen Verbrauchers entsprechend den gewünschten weiteren Funktionalitäten bewirken können.
Die allgemeine Topologie, innerhalb derer dies erfolgt, ist in Fig. 6 dargestellt, soweit sie ohne die Kästchen 10, 10', 10" und Sb verstanden wird. Mit 69 ist ein elektrische Leistung ziehendes Gerät bezeichnet, beispielsweise eine Waschmaschine. Sie weist als Verbraucher 61 z. b. einen Elektromotor auf. Sie hat einen Hauptschalter 62, der vom Bediener betätigt werden kann. Daneben können weitere reguläre Schalter und Bedienelemente vorgesehen sein, die in Fig. 6 nicht gezeigt sind. Mit 64 ist eine elektrische Leitung angedeutet, mit 63 ein Stecker. Der Stecker 63 kann in eine Steckdose 65 eingesteckt werden, die beispielsweise als Wandinstallation vorgesehen sein kann. Diese Steckdose 65 wiederum ist - üblicherweise unterputz - mit Leitungen 1, 2, 3, L, N mit einer Leistungsquelle verbunden, wobei die Leitung mit einem Leitungsschutzschalter 4 abgesichert ist. Der Leitungsschutzschalter 4 hat bestimmte Abschaltcharakteristika einerseits im Hinblick auf kurzfristige Überlastungen, etwa wegen Kurzschlusses, oder im Hinblick auf langfristige Überlastungen. Der Leitungsschutzschalter hat einen bestimmten Nennwert, beispielsweise 16 A in Hausinstallationen. Bei großen Überschreitungen des Nennwerts, etwa bei Kurzschluss, muss er schnell (binnen weniger Millisekunden) abschalten. Bei weniger starken Überschreitungen etwa wegen eines Motors, der blockiert ist und deshalb stärker Strom als sonst zieht, muss er auch abschalten, was allerdings langsamer erfolgen kann. Diese Anforderungen sind normativ vorgegeben. Die schnelle Abschaltung kann elektromagnetisch ausgeführt werden. Das Abschalten wegen Überhitzung kann mittels Bimetall bewirkt werden. Wenigstens eine der Leistungsleitungen durchläuft den Leitungsschutzschalter 4, vorzugsweise der Phasenleiter L, und kann dort nötigenfalls unterbrochen werden.
Wenn in diesem Szenario ein weiterer Schalter entsprechend den oben dargestellten gewünschten zusätzlichen Funktionalitäten in den Versorgungsstrang eingebaut wird, wird dieser Schalter mit den vom Leitungsschutzschalter maximal durchgelassenen elektrischen Werten geprüft, um der gegebenenfalls auftretenden Belastung ohne thermischen oder elektrischen Fehler Herr zu werden. Die Auslegung eines solchen weiteren Schalters derart, dass er diese Prüfung besteht, ist aber nur aufwändig zu erreichen, da dies notwendigerweise zu einer vergleichsweise großen Installation führt, die insbesondere bei Nachrüstungen nicht mehr "klein" vorgenommen werden kann. Bekannte Absicherungsmechanismen für den zusätzlichen Schalter sind dementgegen die Stromüberwachung derart, dass bei Stromspitzen oder bestimmten Stromintegralen über die Zeit als Überlasterkennung für den zusätzlichen Schalter mit diesem zusätzlichen Schalter abgeschaltet wird. Ziel dieser weiteren Absicherung ist es, den weiteren Schalter und die zugehörige Schaltung selbst als Gefahrenquelle zu eliminieren. Sie dürfen bei kurzen großen Überschreitungen nicht überhitzen oder Feuerfangen oder schmelzen. Gleiches gilt für weniger starke, lang dauernde Überlastungen.
Nachteil der bekannten Überwachungsalgorithmen ist, dass sie schlecht an die realen Verhältnisse angepasst sind, deswegen vergleichsweise empfindlich ausgelegt werden müssen und deshalb häufig zu Fehlauslösungen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, ein Leistungsschaltverfahren, eine Steckdose und eine Verbraucherinstallation anzugeben, die mit erweiterten Funktionalitäten schaltbar sind und der Schalter realitätsnah abgesichert ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Eine steuerbare Leistungsschaltvorrichtung hat einen Leistungsschalter zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung, einen Steuerungseingang zum Empfangen eines Steuerungsbefehls und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung zum Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf der Leistungsversorgungsleitung und Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und eine Schaltersteuerungsvorrichtung zur Steuerung des Leistungsschalters mit einem Schaltersteuerungssignal nach Maßgabe des Regelschaltsignals und des Überwachungsschaltsignals.
Erfindungsgemäß werden also nicht primär Stromamplituden ausgewertet, sondern es werden leistungsrelevante Größen betrachtet. Ihre Auswertung kann im Hinblick auf einen oder mehrere Kennwerte des Leistungsschalters selbst erfolgen, etwa seines Innenwiderstands, seiner womöglich durch den Verbau gegebenen thermischen Isolierung und ähnliche Größen. Es ergibt sich so ein Maß dafür, welche Verlustleistung in der Leistungsschaltvorrichtung selbst entsteht und kumuliert. Die Beobachtung kann dabei so sein, dass Werte, die für den Energieeintrag in die Leistungsschaltvorrichtung kennzeichnend sind, ermittelt und ausgewertet werden. Dies kann unter Betrachtung beispielsweise des Innenwiderstands der Leistungsschaltvorrichtung und weiterer relevanter Größen geschehen.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Strommessvorrichtung aufweisen zum Messen eines in der Leistungsversorgungsleitung fließenden Stroms, die fortlaufend entsprechend einer Abtastung Einzelstrommesswerte In erzeugen kann. Als Stromsignale Im können unmittelbar diese Einzelstrommesswerte In genommen werden oder es können aus ihnen fortlaufen Kurzzeit-Mittelwerte mehrerer, vorzugsweise aufeinanderfolgender Messergebnisse ermittelt werden, die als das Stromsignal Im genommen werden, die zur Ermittlung eines Überwachungssignals herangezogen werden.
Im Leistungsversorgungsstrang eines Verbrauchers ist der Strom die variable Größe, die für die Verlustleistung im Versorgungsstrang, insbesondere in der Leistungsschaltvorrichtung relevant ist. Der Strom kann ein geeignetes Analogsignal abtastend erfasst werden. Es kann digitalisiert und dann digital oder sonst geeignet weiterverarbeitet werden.
Um aus dem Stromsignal Im Leistungseffektivwerte Im2 zu ermitteln, können die Stromwerte Im quadriert und dann über einen geeigneten Zeitraum, insbesondere eine Vollwelle oder ein Vielfaches davon integriert werden, was digital erfolgen kann, um ein Leistungseffektivwertsignal Im2 zu bestimmen. Die Abtastfrequenz kann entsprechend dem Nyquist-Kriterium als mindestens das Doppelte der höchsten Oberschwingung, die erfasst werden soll, gewählt werden. Kalibrierungswerte können berücksichtigt werden. Die Effektivwertermittlung kann auch über eine Filterung erfolgen.
Die Abtastung bzw. Stromsignalermittlung bzw. Leistungseffektivwertermittlung muss nicht dauernd vorgenommen werden. Sie kann "gelegentlich" erfolgen, etwa sekündlich oder einmal pro Minute. Das aktuelle Ergebnis wird dann gespeichert und bis zur Aktualisierung verwendet.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Quadriereinrichtung aufweisen zum Quadrieren des Stromsignals Im, das dann integriert wird, wobei das zum Leistungseffektivwertsignal Im2 integrierte Quadrierergebnis zur Ermittlung des Überwachungssignals herangezogen wird. Die Stromsignale sind Strom-Momentanwerte des Netz-Wechselstroms, die sich entsprechend der Netzfrequenz ändern. Die Quadrate davon sind dementsprechend auch Momentanwerte, allerdings wegen der Quadrierung nicht mehr vorzeichenbehaftet.
Wenn das Integral der Quadrate des Stromsignals Im als Leistungseffektivwertsignal Im2 herangezogen wird, ist dies ein gutes Abbild des momentanen Leistungseintrags in der Leistungsschaltvorrichtung. Wie hinlänglich bekannt ist, ist allgemein der Leistungsverbrauch an einem Widerstand mit der Formel
P = l2*R errechenbar, wobei allgemein P die Leistung ist, I der Effektivwert des anliegenden Stroms und R der Widerstand des betrachteten Geräts oder Gerätteils, vorliegend also beispielsweise der Innenwiderstand der Leistungsschaltvorrichtung. Die Verlustleistung in der Leistungsschaltvorrichtung wird darin in Wärme umgesetzt. Wenn einerseits dauerhaft mehr Verlustleistung entsprechend Wärme zu- als abgeführt wird, wird die Leistungsschaltvorrichtung anfänglich warm und später heiß und kann dann zerstört werden oder Feuer fangen. Dies setzt aber nicht instantan ein. Gegenläufige Effekte sind Abkühlung durch Wärmediffusion. Sie ist umso stärker, je höher der Temperaturgradient von der Wärmequelle zur Umgebung ist.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann deshalb eine autoregressive Mittelungsvorrichtung aufweisen, die das aktuelle Überwachungssignal aus dem jeweils jüngsten Leistungseffektivwertsignal Im2 nach folgender Formel berechnet:
Uesa = k*lm2 + (l-k)*Uesv wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal, Uesv das vorherige Überwachungssignal, Im2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal Im2 und k ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1 sind.
Wie ausgeführt ist das Leistungseffektivwertsignal Im2 ein Maß für den aktuellen Leistungseintrag. Demgegenüber ist das vorherige Überwachungssignal Uesv ein Abbild der Leistungseintrag- und Abflusshistorie. Über den Gewichtungsfaktor k werden die beiden Werte korreliert miteinander verrechnet, insbesondere aufaddiert. Der Wert k kann vergleichsweise klein sein, etwa 0,01 oder 0,005 oder noch kleiner. Er ist aber größer 0. Die dargestellte Formel eignet sich hinreichend gut zur Nachbildung realer Vorgänge. Wenn stetige Zustände herrschen, etwa ein stabiles Leistungseffektivwertsignal Im2, wird sich auch rechnerisch auf unterkritischem oder womöglich auch kritischem oder überkritischem Niveau früher oder später ein Gleichgewicht einstellen. Die Formel bildet dies ab. Auch sie führt zu einem Grenzwert, wenn konstante Verhältnisse vorliegen.
Der Grenzwert ergibt sich dabei nicht nur anhand der Messwerte bzw. Leistungseffektivwertsignal Im2, sondern auch anhand der wählbaren Parameter k und der Rechenfrequenz. Es können so die Rechenfrequenz und der Parameter k also genützt werden, die sich ergebende Kurve an die Realität anzupassen. Wegen der gewichteten Verrechnung gegen die Historie führen kurze Überströme anders als bei reiner Strombetrachtung nicht zu Fehlabschaltungen.
Die Leistungsbeobachtungsvorrichtung kann eine Faktorsetzvorrichtung aufweisen, die den Gewichtungsfaktor k setzt, insbesondere derart, dass er auf einen vorbestimmten ersten Faktorwert gesetzt wird, wenn das aktuelle Leistungseffektivwertsignal Im2 größer als das aktuelle Überwachungssignal Uesa ist, und andernfalls auf einen anderen vorbestimmten zweiten Faktorwert, der kleiner als der erste Faktorwert sein kann. Wenn die beiden gleich sind, kann der gerade geltende Faktorwert beibehalten werden. Statt des aktuellen Überwachungssignals Uesa kann auch das vorherige Überwachungssignal Uesv für den Vergleich herangezogen werden.
Mit dem fallabhängigen Setzen des Werts des Faktors k kann den unterschiedlichen physikalischen Verhältnissen beim Erwärmen bzw. Abkühlen der Leistungsschaltvorrichtung Rechnung getragen werden. Für den Zufluss primär maßgeblich ist der Leistungseintrag gemäß der Verlustleistung wie oben erläutert. Für den Wärmeabfluss primär maßgeblich ist der Isolationsgrad der Schaltung, der in gewissen Maßen ja vorhersagbar ist, und der Temperaturgradient gegenüber der Umgebung. Durch das fallabhängige Setzen unterschiedlicher Faktoren k wird eine relativ realitätsnahe Nachrechnung bzw. Simulation entsprechend der Temperatur in der Leistungsbeobachtungsvorrichtung erhalten. Dies kann mit geeigneten Schwellenwerten verglichen werden. Wenn sie überschritten werden, kann abgeschaltet werden.
Dementsprechend kann die Leistungsbeobachtungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignal nach Maßgabe des Vergleichs des aktuellen Überwachungssignals mit einem Schwellenwert zu erzeugen. Die Schaltersteuerungsvorrichtung kann eine Schwellenwerterzeugungseinrichtung aufweisen zum Erzeugen des Schwellenwerts nach Maßgabe eines vorab eingegebenen und gespeicherten Parameters, insbesondere eines Innenwiderstands der Leistungsschaltvorrichtung oder einer maßgeblichen Komponente darin. Mit der Schwellenwerterzeugungseinrichtung ist ein weiterer Parameter gegeben, mit dem die Abschaltcharakteristik bestimmt werden kann.
Wenngleich oben der Geräteparameter als zur Erzeugung eines Schwellenwerts verwendet beschrieben ist, sei darauf hingewiesen, dass er stattdessen oder auch für die Ermittlung des Überwachungssignals verwendet werden kann. Wesentlich ist, dass das leistungskorreliert errechnete Signal und der Schwellenwert relativ zueinander sinnvoll kalibriert sind.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann eine Setzvorrichtung zum Eingeben oder Bestimmen und Speichern der Abtastfrequenz der Strommessvorrichtung aufweisen, wobei die Strommessvorrichtung dazu ausgelegt ist, den in der Leistungsversorgungsleitung fließenden Strom, insbesondere dessen Effektivwert o- der ein damit korreliertes Signal, entsprechend der gesetzten Abtastfrequenz zur Messung abzutasten und ggf. aus mehreren Abtastwerten einen Mittelwert zu bilden, um das Stromsignals zu bilden.
Die Abtastfrequenz für die Strommessung ist ein relevanter Parameter, der unter anderem für die benötigte Rechenleistung maßgeblich ist. Er kann hinsichtlich der erwarteten Temperaturdynamiken gesetzt werden. Die Abtastfrequenz kann kleiner 10 oder 5 oder 2 Hz sein.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann bei der Strommessvorrichtung einen A/D-Wandler zur A/D-Wandlung des Strommesswerts, insbesondere des gemessenen Effektivwerts oder korrelierten Signals, aufweisen, und eine digital arbeitenden Schaltung zur digitalen Weiterverarbeitung der digitalen Ausgabe des A/D-Wandlers. Die Strommessvorrichtung kann einen seriellen Messwiderstand oder einen induktiven Abgriff aufweisen. Der Leistungsschalter kann ein Relais aufweisen und die Schaltersteuerungsvorrichtung eine Treiberschaltung für das Relais, die dazu ausgelegt ist, nach Maßgabe des Schaltersteuerungssignals ein Relaisansteuersignal zu erzeugen.
Allgemein kann die vorzunehmende Signalauswertung und Verarbeitung in einer geeigneten elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Es kann eine ganz o- der teilweise integrierte Schaltung sein. Sie kann weitgehend digital arbeiten und dann zwischen dem Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) am Eingang und dem Treiber am Ausgang liegen. Die Schaltung kann ein ASIC sein oder aufweisen. Es kann sich um einen kleinen Mikrorechner mit den rechnerüblichen Komponenten wie RAM, ROM, CPU, Register, Eingabe- und Ausgabeschnittstellen und Bus handeln. Ein Messwiderstand, auch "shunt" genannt, kann seriell in der geschalteten Leitung liegen. Er ist vergleichsweise klein, um dementsprechend einen kleinen Spannungsabfall und kleinen Leistungseintrag zu erzeugen. Der Spannungsabfall längs des Messwiderstands ist proportional zum in ihm fließenden Strom, also proportional zum Strom durch die Leistungsschaltvorrichtung, und ist somit ein präzises Abbild des den Leistungseintrag bestimmenden Stroms. Der Strom kann aber auch induktiv abgegriffen werden. Die elektrische Spannung auf der Leistungsversorgungsleitung ist in aller Regel Wechselspannung, die induktiv oder über magnetische Effekte, abgegriffen werden kann. Vorteil des induktiven oder magnetischen Abgriffs ist, dass er praktisch keinen eigenen Spannungsabfall erzeugt. Nachteil ist, dass die Sensorik und ggf. die Weiterverarbeitung in ein auswertbares Signal aufwändiger ist.
Wenn der Strom Wechselstrom ist, werden auch Messwiderstand oder induktiver Abgriff ein Wechselsignal als Messsignal erzeugen. Es kann vor seiner Abtastung analog gleichgerichtet und geglättet werden.
Der Leistungsschalter selbst kann ein Relais, insbesondere ein elektromechanisches Relais, und/oder einen Leistungshalbleiter sein. In jedem Fall ist eine geeignete Treiberschaltung vorgesehen. Der Leistungshalbleiter kann ein FET oder ein MOSFET oder ein IGBT oder ein TRIAC oder eine Kombination davon sein oder aufweisen, z. B. ein TRIAC mit einem MOSFET kombiniert.
Die beschriebene Leistungsschaltvorrichtung kann in einem Verbraucher oder in einer Leitungskomponente verbaut sein. Sie kann in eine Steckdose eingebaut sein, die in einer Gebäudewand installiert sein kann. Dementsprechend hat eine Steckdose mindestens einen Versorgungsanschluss für den Anschluss an eine Leistungsversorgungsleitung, Steckkontakte für das Einstecken eines Steckers eines Verbrauchers, und zwischen dem Versorgungsanschluss und wenigstens einem der Steckkontakte eine Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben.
Es kann sich um eine normal erscheinende Steckdose handeln, die neben den herkömmlichen Komponenten die Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben aufweist und dann ein zusätzliches Schalten der über die Steckdose transportierten Leistung erlaubt, etwa über einen auch vorgesehenen Fernsteueranschluss oder Bewegungsmelder oder ähnliches.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann aber auch direkt in einer Verbraucherinstallation verbaut sein, etwa in einer Waschmaschine oder ähnlichem, wobei hier das Vorsehen der Leistungsschaltvorrichtung im jeweiligen Stecker des Geräts oder der Maschine mitinkludiert ist. Auch diese Installation erlaubt dann weitere Funktionalitäten, etwa das Fernsteuern des jeweiligen Geräts. Dementsprechend hat eine Verbraucherinstallation einen elektrischen Verbraucher, einen Anschluss an ein Netz elektrischer Leistung, zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem Anschluss einem Benützerschalter zum Schalten elektrischer Leistung für den Verbraucher und zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem Anschluss einer Leistungsschaltvorrichtung wie beschrieben. Die Leistungsschaltvorrichtung ist zusätzlich zum herkömmlichen Geräteschalter vorgesehen.
Die Leistungsschaltvorrichtung kann auch separat eingehäust sein. Sie kann zum Einbau in eine Einbaunische dimensioniert sein, etwa zum Verbau in einer standardisierten Unterputzdose. Sie kann für den Verbau in einer Unterputzdose unter einer anderen Komponente, etwa einer Steckdose oder einem Schalter oder Taster o- der Dimmer, dimensioniert sein und kann dementsprechend flach bzw. angepasst dimensioniert sein. Sie kann auch für den Reiheneinbau gestaltet und eingehäust sein. Sie kann für die Hutschienenmontage in einer Verteilung oder Unterverteilung ausgelegt sein. Sie kann auch als Zwischenstecker gestaltet sein. Der Zwischenstecker kann als Aufsteckgerät für eine normale Steckdose, also kabellos gebaut sein.
Auch Gegenstand der Erfindung ist ein Leistungsschaltverfahren mit den Schritten Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf einer Leistungsversorgungsleitung mit einem Leistungsschalters darin und Erzeugen eines Überwachungs- schaltsignals nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und Ansteuern des Leistungsschalters zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung nach Maßgabe des Überwachungsschaltsignals. Das Ansteuern des Leistungsschalters kann nach Maßgabe eines Kennwerts des Leistungsschalters erfolgt, insbesondere seines Innenwiderstands. Daneben kann in dem Leistungsschaltverfahren das Ansteuern des Leistungsschalters auch nach Maßgabe eines weiteren Kriteriums erfolgen, was der primären Funktion der Leistungsschaltvorrichtung entspricht.
Das Verfahren kann allgemein diejenigen Schritte umfassen, die oben implementiert durch gewisse Gerätschaften beschrieben sind, insbesondere also auch die Errechnung des aktuellen Überwachungssignals wie weiter oben beschrieben, den Schwellenwertvergleich, die Ermittlung der jeweiligen System para meter, das Abtasten und A/D-Wandeln und weiteres.
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen
Fig. 1 eine Leistungsschaltvorrichtung in einer möglichen Einbauumgebung,
Fig. 2 eine Strommessvorrichtung, Fig. 3 eine Mittelungsvorrichtung,
Fig. 4 eine Schaltsteuerungsvorrichtung,
Fig. 5A bis 5F verschiedene Zeitdiagramme,
Fig. 6 weitere Verbaumöglichkeiten der Leistungsschaltvorrichtung, und
Fig. 7 das Abbild eines realen Geräts.
Fig. 1 zeigt eine Leistungsschaltvorrichtung 10 verbaut an einem abstrakt dargestellten Verbauort 50. Rechts davon ist ein elektrischer Verbraucher 9 schematisch gezeigt. Beispielsweise kann es sich um Beleuchtung oder ein elektrisches Gerät handeln. Links der Leistungsschaltvorrichtung 10 liegt das elektrische Leistungsnetz. Üblicherweise wird es ein Wechselstromnetz sein, etwa für Deutschland ein Wechselspannungsnetz mit 230 V Effektivwert und 50 Hz. Die Leistung liegt zwischen einer Neutralleitung N, 3 und einem Phasenleiter L, 2 an und wird von dort über Stichleitungen 2a, 3a abgegriffen.
Üblicherweise ist der Leistungsabgriff mit einem Leitungsschutzschalter 4 abgesichert, der in seinen Eigenschaften normativ reguliert ist. Er wurde eingangs beschrieben. Wenigstens eine der Leistungsleitungen durchläuft den Leitungsschutzschalter 4, vorzugsweise der Phasenleiter L, und kann dort nötigenfalls wie beschrieben unterbrochen werden.
Wenigstens einer der Leistungsleiter 2, 3 durchläuft die Leistungsschaltvorrichtung 10, vorzugsweise der Phasenleiter L, 2, 2a, 2b. Im Inneren der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist er mit Bezugsziffer 2i symbolisiert. 11 symbolisiert einen Leistungsschalter, der dazu ausgelegt ist, die erwartete Leistung, insbesondere den erwarteten Strom, zu führen. Es kann sich um ein Relais oder um einen Leistungshalbleiter handeln. Er weist in jedem Fall aber auch einen Innenwiderstand auf, etwa bei einem Relais einen Kontaktwiderstand, oder bei einem Halbleiter die halbleiterüblichen Schwellen, so dass entsprechend diesem Spannungsabfall Wärme entsteht, wenn Strom fließt.
Der Leistungsschalter 11 dient primär zum Implementieren einer zusätzlichen Schaltfunktion wie etwa das beschriebene Fernsteuern oder bewegungs- oder gestensensitive Steuern oder ähnliches. Hierfür ist ein Steuerungseingang 12 vorgesehen, der diese Primärfunktion durchführt und letztlich auch auf den Leistungsschalter 11 einwirken kann. Graphisch angedeutet ist eine Fernsteuerung, die einen Steuerungsbefehl Sb sendet, der am Steuerungseingang 12 empfangen und geeignet weiterverarbeitet wird und zu einem Regelschaltsignal Rss führt.
Um die Leistungsschaltvorrichtung 10 gegen Gerätefehler, insbesondere Erhitzung am Innenwiderstand der Leistungsschaltvorrichtung 10 zu schützen, ist weiter eine Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 vorgesehen. Sie beobachtet die transmit- tierte Leistung und erzeugt daraus geeignete Schaltsignale, die ebenso auf den Leistungsschalter 11 einwirken können. Wenn insbesondere festgestellt wird, dass die Leistungsschaltvorrichtung 10 überhitzt, kann dies zum Öffnen des Schalters 11 führen, so dass der Leistungsfluss unterbrochen ist und das Gerät abkühlt. Es erzeugt so die Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 ein Überwachungsschaltsignal Uess. Der Steuerungseingang 12 erzeugt ein Regelschaltsignal Rss. Mit 14 ist eine Schaltersteuerungsvorrichtung gezeigt, die entsprechend der Primärfunktion das Regelschaltsignal Rss vom Steuerungseingang 12 her empfängt und entsprechend einer Überwa- chungsfunktion oder Sekundärfunktion von der Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13 her das Überwachungsschaltsignal Uess. Sie ermittelt daraus ein Schaltersteuerungssignal Sss, das insgesamt zur Ansteuerung des Leistungsschalters 11 verwendet wird. Das Rücksetzen des Abschaltens, also das Wieder-Anschalten nach Abschalten aufgrund der Leistungsbeobachtung, kann gemäß mehreren Strategien erfolgen. Es kann z. B. der Beobachtungsalgorithmus einfach weiterlaufen, jedoch für das Wie- der-Anschalten hystereseartig einen anderen, niedrigeren Schwellenwert verwenden. Es können auch normale Schaltaktivitäten für die benötigte Leistung und/oder Schaltungen am Leitungsschutzschalter, hier z. B. ein kurzes Aus-An-Muster, überwacht werden und auf ihre Erfassung hin zum Wieder-Anschalten herangezogen werden. Es kann auch ein Schalter oder Taster an der Leistungsschaltvorrichtung selbst vorgesehen sein, die das manuelle Wieder-An-Schalten ermöglichen, womöglich nach Eingabe eines vorbestimmten Schalt- oder Tastmusters, etwa mehrere Tastungen kurz hintereinander.
Da es sich beim beobachtungsbedingten Abschalten letztlich um einen schweren Fehler handelt, kann ein Warnmechanismus oder Alarmgeber vorgesehen sein, der beim beobachtungsbedingten Abschalten aktiviert wird.
Die Schaltersteuerungsvorrichtung 14 kann eine Treiberschaltung aufweisen, die gegebenenfalls aus digitalen Signalen die nötigen Analogsignale erzeugt, um den Leistungsschalter 11 anzusteuern.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Leistungsleiter L, 2 und N, 3 durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt sind. Dementsprechend weist die Leistungsschaltvorrichtung 10 selbst Anschlüsse 18a, 18b, 19a, 19b auf, bzw. die Einbauumgebung 50 weist Anschlüsse 58a, 58b, 59a, 59b auf. Es ist aber nicht nötig, dass beide Leistungsleiter 2, 3 durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt werden. Es kann zum Schalten der Leistung nur einer von beiden durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 durchgeführt sein. In Fig. 1 würde dann die Stichleitung weg vom Neutralleiter N, 3 nicht durch die Leistungsschaltvorrichtung 10 laufen.
Fig. 2 zeigt Merkmale der Leistungsbeobachtungsvorrichtung 13. Sie kann eine Strommessung ausführen. Gezeigt ist ein in die Leistungsleitung 2i, L eingeschalteter Messwiderstand 21, oft auch als "shunt" bezeichnet. Wenn Strom durch die Leitung 2i, L fließt, entsteht längs des Messwiderstands 21 ein Spannungsabfall, der in einer Messschaltung 22 erfasst und vorverarbeitet werden kann. Die Messschaltung kann einen Sample-and-Hold-Verstärker aufweisen mit anschließender Analog/Digi- tal-Wandlung - A/D-Wandlung, zusammen symbolisiert unter Bezugsziffer 22a. Der Sample-and-Hold-Verstärker 22a kann die Abtastung gemäß einer vorgegebenen Abtastfrequenz bzw. Abtasthäufigkeit vornehmen. Die Vorgabe kann aus einer Setzeinrichtung 25 kommen. Es entstehen so zeitseriell gemessene Stromwerte, die am Ausgang eines A/D-Wandlers digital in gewünschter Auflösung, beispielsweise 8 Bit, abgreifbar sind. Es kann hier auch eine erste Kurzzeit-Mittelung 22b erfolgen, indem aus einigen zeitseriellen Messwerten jeweils ein Mittelwert gebildet wird. Sie mittelt über weniger als eine Halbwelle, bspw. weniger als 20 oder 10 oder 5 aufeinander folgende Messwerte. Die Abtastfrequenz kann über 1 oder 2 oder 5 oder 10 kHz liegen. Sie kann unter 20 oder 10 kHz liegen. Die Mittelwertbildung kann Werte, insbesondere vorzeichenfreie Beträge, über eine Halbwelle oder Vollwelle oder Vielfache davon erfassen.
Es entsteht so ein vorverarbeitetes Stromsignal Im, das den Momentanwert des Stroms darstellt. Bei ideal sinusförmiger Versorgungsspannung gilt dann näherungsweise für das Stromsignal Im
Im = Io * sin(cnt) wobei Io die Stromamplitude, in das 2 n-fach e der Netzfrequenz und t die Zeit sind. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass Lasten auf die Versorgung zurückwirken können, so dass sich am Versorgungseingang auch vom idealen Verlauf deutlich abweichende Wellenformen ergeben können.
Das Stromsignal kann zur Leistungsermittlung herangezogen werden. Beispielhaft hierfür ist eine Quadrier- und Integriereinrichtung 23 gezeigt, die das Stromsignal Im empfängt, es quadriert und über einen sinnvollen Zeitraum, insbesondere über eine Halbwelle oder Vollwelle oder ein Vielfaches davon, integriert, und so ein Leistungseffektivwertsignal Im2 erzeugt und ausgibt. Der Begriff "Integration" kann hier auch eine Mittelung oder Filterung (insbesondere Tiefpass) bezeichnen.
Die Einrichtung 23 kann digital arbeiten bzw. rechnen. Entsprechend dem quadrierten Stromwert ist das Leistungseffektivwertsignal Im2 ein Maß für die in der Leistungsschaltvorrichtung 10 anfallende Verlustleistung. Letztere setzt sich zusammen aus den Einzel-Verlustleistung am Messwiderstand 21, am Leistungsschalter 11, an den internen Leitungen und an den Klemmen.
Statt eines Messwiderstands 21 kann auch ein induktiver oder magnetischer Abgriff verwendet werden, um den in der Leistungsleitung 2i, L fließenden Strom zu messen. Es können z. B. Hall-Sensoren für einen magnetischen Abgriff verwendet werden. Sowohl längs eines Messwiderstands 21 als auch bei einem induktiven oder magnetischen Abgriff entsteht ein Wechselsignal, wenn Wechselstrom fließt.
Das Leistungseffektivwertsignal Im2 aus dem Quadrierer und Integrierer 23 ist das Abbild des momentanen Verlustleistungseintrags in die Leistungsschaltvorrichtung 10. Es bildet damit aber nicht die insgesamt herrschenden Verhältnisse ab, denn diese hängen ja auch von der Vorgeschichte ab, insbesondere davon, wie lange und wie hoch vorher der Leistungseintrag war. Ein kurzer Verlustleistungseintrag kann unschädlich sein und muss nicht zur Abschaltung des Geräts wegen drohender Überhitzung führen. Es werden deshalb weitere Einrichtungen vorgesehen, um ein reale Verhältnisse sinnvoll darstellendes Überwachungssignal erzeugen zu können. Es ist hierfür eine Mittelungsvorrichtung 24 vorgesehen. Es kann hier insbesondere ein autoregressiver Durchschnitt gebildet werden, indem das neue Leistungseffektivwertsignal gewichtet zum bisherigen Signal addiert wird gemäß der Formel
Uesa = K • Im2 + (1 - k) • Uesv (Formel 1) wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal ist, Uesv das vorherige Überwachungssignal, Im2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal und K ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen 0 und 1.
Das Leistungseffektivwertsignal Im kann wie oben beschrieben oder in anderer Weise bestimmt werden. Der Faktor k kann vergleichsweise klein sein. Er kann unter 0,5 oder 0,2 oder 0,1 oder 0,05 oder 0,02 oder 0,01 oder 0,005 liegen. Bei der fortwährenden Verrechnung beeinflusst somit das Leistungseffektivwertsignal "langsam" das aktuelle Überwachungssignal, das ähnlich Ausgleichsvorgängen dem Leistungseffektivwertsignal langsam folgt. Die obige Formel 1 kann hierfür verwendet werden, da sie einfach implementierbar ist, nur die Grundrechenarten und wenige Register zur Abarbeitung benötigt.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltung zur Implementierung der Formel 1 oben. Die gezeigte Struktur stellt die Mittelungsvorrichtung 24 in Fig. 2 dar. Sie empfängt das Leistungseffektivwertsignal Im2 links und gibt rechts das aktuelle Überwachungssignal Uesa aus. Getaktet in diskreter digitaler Signalverarbeitung wird am Summierpunkt 32 eine Addition vorgenommen, nämlich des mit dem Faktor K gewichteten Leistungseffektivwertsignals Im2 und des mit dem Faktor 1 - K gewichteten rückgeführten aktuellen Überwachungssignals, das dann logisch betrachtet das vorherige Überwachungssignal Uesv darstellt.
35 symbolisiert eine Faktorsetzvorrichtung, die den Faktor k, der in den Multiplizierern 31 und 34 verwendet wird, setzt. Denkbar sind hierbei simple Ausführungsformen, bei denen der Faktor festgesetzt ist. Fig. 3 zeigt demgegenüber eine komplexere Ausführungsform, bei der der Faktor k abhängig davon auf Werte kl oder k2 gesetzt werden soll und kann, ob die Temperatur steigt oder sinkt. Dies trägt dem Gedanken Rechnung, dass diese physikalischen Effekte durch unterschiedliche Gegebenheiten bestimmt sind und somit vorteilhafterweise nicht gleich gerechnet werden. Die Aufheizgeschwindigkeit bestimmt sich anhand des Leistungseintrags, während sich die Abkühlgeschwindigkeit aus Ausgleichsvorgängen gegenüber der Umgebung einstellt. Dies kann vorab empirisch ermittelt werden und kann dann bei der Herstellung des Geräts in Form von zwei Faktoren kl und k2 diesem eingeschrieben werden, die für den einen oder für den anderen Fall verwendet werden.
Die Faktorsetzvorrichtung 35 kann dazu ausgelegt sein zu erkennen, ob ein Temperaturanstieg oder Abfall vorliegt. Es kann sich durch Vergleich der Größen des Leistungseffektivwertsignals Im2 und des aktuellen Überwachungssignals Uesa ergeben. Übersteigt erstere die letztere, liegt eine Temperaturerhöhung vor, und es kann einer der Faktoren k verwendet werden. Andernfalls kann der andere verwendet werden. Für den Vergleich des Leistungseffektivwertsignals kann auch das vorherige Überwachungssignals Uesv herangezogen werden. Zusammenfassend kann die Signalverarbeitung in einer Ausführungsform wie folgt aufgezählt werden:
(1) Digitalisierung und Einzelstrommessung über S/H-Verstärker 22a
(2) Optional: In 22b Digitale Kurzzeitmittelung (über z. B. weniger als 20 oder 10 oder 5 aufeinander folgende Einzelstrommessungen), um Messfehler und Rauschen auszugleichen, die bei der Quadrierung schädlich wären.
(3) In Quadrierer/Integrierer 23 Quadrieren des Signals aus 22a oder 22b, um Leistungs-Momentanwerte zu erhalten
(4) Noch in 23 Mittelung/Integration/Filterung über Vollwelle, um Leistungseffektivwertsignal Im2 zu erhalten
(5) Im2 aus (4) oder ein anderweitig erzeugtes Leistungseffektivwertsignal Im2 geht in die Autoregression 24.
Die Ermittlung des Leistungseffektivwerts Im zur Verwendung in der Autoregression kann durch einen spezialisierten IC erfolgen. Beispielsweise kann der Chip ADE9153A von Analog Devices und das darin implementierte Verfahren verwendet werden.
Fig. 4 zeigt schematisch die Schaltersteuerungsvorrichtung 14. Sie erzeugt ein Schaltersteuerungssignal Sss und gibt es aus. Sie empfängt einerseits das Regelschaltsignal Rss zur Steuerung des Leistungsschalters entsprechend der gewünschten Primärfunktion. Sie empfängt andererseits das Überwachungsschaltsignal liess, das das Überwachungsergebnis der internen Temperatur widerspiegelt. Die beiden Signale werden in geeigneter Weise miteinander verknüpft und dann einer Treiberschaltung 42 zugeführt. Die Verknüpfung kann eine VerODERung in der Weise sein, dass als Schaltersteuerungssignal Sss z. B. ein Abschaltsignal (Unterbrechen der Leistungsleitung 2i durch Öffnen des Schalters) erzeugt wird, wenn entweder das Regelschaltsignal Rss oder das Überwachungsschaltsignal liess dies fordern.
Um die Leistungsschaltvorrichtung leicht an unterschiedliche Einbausituationen bzw. elektrische Umgebungen anpassen zu können, kann sie mehrere Parametersätze (z. B. Abtastfrequenz und/oder Werte k, kl, k2 und/oder Schwellenwert Sw und/oder Kalibirerwerte) auswählbar eingespeichert haben und eine Wählvorrichtung hierfür aufweisen. Die Parametersätze können jeweils einen oder mehrere oder alle in dieser Beschreibung erläuterten Parameter und ggf. weitere Parameter enthalten. Wenn einer von ihnen über die Wählvorrichtung gewählt wird, werden dessen Parameter für den Betrieb der Leistungsschaltvorrichtung gesetzt und verwendet.
Die Leistungsschaltvorrichtung und insbesondere ihr im Betrieb verwendeter, z. B. vorher eingegebener oder fest eingeschriebener oder gewählter Parametersatz können an typische Verbausituationen oder elektrische Betriebsumgebungen der Leistungsschaltvorrichtung angepasst sein oder werden, z. B. an Eigenschaften eines Leitungsschutzschalters und/oder eines vorgesehenen Verbrauchers. Mehrere auswählbar eingespeichert Parametersätze können dann mehrere solche Verbausituationen oder elektrische Betriebsumgebungen abbilden.
Die Fig. 5A bis 5F zeigen beispielhaft jeweils Zeitverläufe verschiedener Größen. Die Abszisse bezeichnet den Zeitverlauf in Messpunkten, wobei zwei Messungen pro Sekunde angenommen sind. Die angezeigten 3500 Verrechnungspunkte entsprechen also einer Zeit von 1750 Sekunden und mithin einer knappen halben Stunde. 53 bezeichnet den gemessenen Stromwert, für den die Ordinate 52 rechts an der Grafik angegeben ist. 54 bezeichnet das rechnerisch ermittelte aktuelle Überwachungssignal Uesa, für das die Ordinate 51 links angegeben ist. 55 bezeichnet einen maximal zulässigen Dauerstrom der Leistungsschaltvorrichtung, für den die Ordinate wieder rechts als 52 angegeben ist. 56 bezeichnet den Schwellenwert Sw aus Einrichtung 26, für den die Ordinate 51 links gilt.
In Fig. 5A ist eine andauernde Überlast mit 25 A angenommen. Sie führen zu einem Anstieg des Überwachungssignals Uesa gemäß Kurve 54. Der maximal zulässige Dauerstrom ist mit 18 A angenommen. Der Schwellenwert Sw ist zu einem Zahlenwert 324 = 18*18 angenommen. Er wird etwa zum Messzeitpunkt 1800, also nach etwa 900 Sekunden entsprechend 15 Minuten überschritten. Dies würde dann zu einem Überwachungsschaltsignal liess führen, das die Abschaltung der Leistungsschaltvorrichtung 10 bewirkt, indem der Leistungsschalter 11 geöffnet (unterbrochen) wird, weil die Leistungsschaltvorrichtung 10 rechnerisch ermittelt zu warm wird, was durch Unterbrechen der Stromzufuhr unterbunden werden kann.
In Fig. 5B ist mit Kurve 53 ein Strom von knapp 18 A angenommen, der knapp unter dem zulässigen Dauerstrom gemäß Kurve 55 von 18 A liegt. Es stellen sich dann stabile Verhältnisse auch bei der beschriebenen Rechnung ein. 56 zeigt wieder den Schwellenwert entsprechend den zulässigen 18 A Dauerstrom. Der stabile Rechenwert gemäß dem aktuellen Überwachungssignal Uesa in Kurve 54 liegt knapp unter dem Schwellenwert der Kurve 56, so dass das Gerät, also die Leistungsschaltvorrichtung 10 kontinuierlich ohne Unterbrechung arbeiten kann.
Fig. 5C zeigt ein Beispiel, bei dem eine Last wie in Kurve 53 gezeigt eine Stromspitze beim Einschalten hat, wobei der Strom dann auf deutlich geringere Werte fällt. Der zulässige Dauerstrom ist gemäß Kurve 55 wieder 18 A. Er wird anfänglich deutlich überschritten. Das Rechnen gemäß Kurve 54 und Überwachungssignal Uesa führt zur Kurve 54, die den Schwellenwert Sw von 324 = 18*18 nicht überschreitet.
Fig. 5D zeigt ein Beispiel mit einer länger dauernden Stromspitze zu Beginn des Betriebs eines Geräts, wie durch Kurve 53 angedeutet. Dementsprechend klettert auch der Rechenwert Uesa des aktuellen Überwachungssignals auf Werte über dem Schwellenwert gemäß Kurve 56, so dass etwa beim Rechenzeitpunkt 300 entsprechend 150 Sekunden oder 21/2 Minuten es zu einer Abschaltung käme und der Strom augenblicklich auf 0 sinkt. Gezeigt ist aber der experimentell angenommene Fall, bei dem die Erfindung nicht angewendet wird und der Strom nicht abgeschaltet wird, sondern von selbst auf deutlich kleinere Werte sinkt. Dementsprechend sinkt auch der Rechenwert und fällt etwa beim Rechenzeitpunkt 1200 unter den Rechenschwellenwert 56. Nach einem erfindungsgemäßen Abschalten bei Rechenzeitpunkt 300 kann das wiederanschalten nach einer der vorher genannten Strategien erfolgen.
Fig. 5E zeigt den gleichen Stromverlauf 53 wie Fig. 5C. Allerdings ist angenommen, dass schon vorher eine andere Gerätegeschichte vorlag, so dass der Rechenwert des aktuellen Überwachungssignals gemäß Kurve 54 bei einem höheren Wert als in Fig. 5C beginnt und deshalb auch anders als in Fig. 5C den Schwellenwert 56 überschreitet.
Fig. 5F zeigt den Stromverlauf eines Geräts, der pulsiert. Es kann sich beispielsweise um eine Waschmaschine handeln, die kontinuierlich heizt (Grundstrom von etwa 8 A), und bei der gelegentlich, aber nicht immer, die Trommel in Drehbewegung versetzt wird, was zu Stromspitzen von 20 A gemäß Kurve 53 führt. Der Rechenwert des aktuellen Überwachungssignals Uesa 54 pulsiert dementsprechend, gelangt aber nicht über den wiederum maßgeblichen Schwellenwert 56. Es wird also nicht abgeschaltet.
Fig. 6 zeigt weitere Verbaumöglichkeiten der Leistungsschaltvorrichtung 10. Ganz rechts ist sie als Teil eines elektrischen Geräts 69 gezeigt, beispielsweise einer Waschmaschine. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Haushaltsgerät oder auch um ein industrielles Gerät oder um eine Maschine handeln. 62 symbolisiert den herkömmlichen Schalter des Geräts. 10 ist die Leistungsschaltvorrichtung 10 wie beschrieben, die zusätzlich zum herkömmlichen Schalter 62 vorgesehen ist. 61 ist der eigentliche Verbraucher, etwa ein Motor. Für die Primärfunktion der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist der Steuerungsbefehl angedeutet, der drahtlos der Leistungsschaltvorrichtung 10 zugeführt werden kann.
Alternativ zum Vorsehen der Leistungsschaltvorrichtung 10 im Gerät 69 selbst kann sie in dessen Stecker 63 vorgesehen sein, was mit Bezugsziffer 10' angedeutet ist, oder in einem Zwischenstecker. Der Stecker kann dann klobiger als sonst ausfallen, kann dann aber die erweiterten Funktionalitäten betreffs schalten bereitstellen. Auch hier ist wieder die Primärfunktion durch das gestrichelte Andeuten eines zugeführten Steuerungsbefehls symbolisiert.
Eine weitere, alternativ zu den bisher in Figur 6 beschriebenen Möglichkeiten des Verbaus der Leistungsschaltvorrichtung 10 ist es, sie in einer Steckdose 65 vorzusehen. Dies ist mit Bezugsziffer 10" in Fig. 6 angedeutet. Auch sie würde gemäß der gewünschten Primärfunktion beispielsweise einen Steuerungsbefehl Sb zugeführt bekommen und im Übrigen arbeiten wie vorstehend beschrieben. Die Leistungsschaltvorrichtung 10 kann aber auch in einem Schaltschrank oder Kabel oder einem sonst geeigneten Ort untergebracht sein. Fig. 7 zeigt einen Prototyp. Angenommen ist ein Verbau gemäß Bezugsziffer 10" in Fig. 6, also integriert in bzw. mit einer Steckdose, die in einer Gebäudewand verbaut sein kann, etwa in einer Unterputzdose. Dies kann der Einbauumgebung 50 in Fig. 1 entsprechen. Die Steckdose 65 weist die Kontakte 71 für einen passenden Stecker auf. Fig. 7 zeigt links die Ansicht von vorne und rechts die Ansicht von hinten. An der Rückseite sind die üblichen Leistungsleitungsanschlüsse 72L für den Phasenleiter 2, L, 72N für den Neutralleiter 3 und 72S für den Schutzleiter zu sehen. 73 ist die in die Steckdose fest verbaute Leistungsschaltvorrichtung 10, wobei in Fig. 7 insbesondere das Relais, das den Leistungsschalter 11 bildet, zu sehen ist. 74 ist eine Empfängerstruktur an der Vorderseite der Steckdose 65, mit der für die gewünschte Primärfunktion der Leistungsschaltvorrichtung 10 drahtlos ein Steuerungsbefehl empfangen werden kann, der dann wie auch beschrieben für die Ansteuerung des Relais 73 herangezogen werden kann. Die Empfängerstruktur kann auch eine Eingabemöglichkeit für Benützer aufweisen, etwa um das Wieder-An-Schalten nach Abschalten zu befehlen. Dies kann manuell mechanisch tastend geschehen oder ebenso drahtlos.
Die für die Kalibrierung nötigen Werte, etwa Faktor k, kl, k2, Schwellenwert Sw, Rechenfrequenz, Proportionalitätskonstanten, Innenwiderstände, Übergangswiderstände und ähnliches können empirisch ermittelt und dem Gerät elektronisch verwertbar eingeschrieben sein.
Die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen beschriebenen oder in einer Abbildung dargestellten Merkmale sollen auch dann als untereinander kombinierbar gelten, wenn ihre Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist, soweit die Kombination technisch möglich ist. Merkmale, die in einem bestimmten Kontext, einer bestimmten Ausführungsform, Figur oder einem bestimmten Anspruch beschrieben werden, sollen auch als von diesem Anspruch, Kontext, Ausführungsform oder Figur trennbar und als mit jeder anderen Figur, Anspruch, Ausführungsform oder Kontext kombinierbar angesehen werden, soweit dies technisch möglich ist. Ausführungsformen und Figuren sollen nicht als notwendigerweise ausschließlich gegeneinander verstanden werden. Beschreibungen eines Verfahrens oder eines Ablaufs oder eines Verfahrensschrittes oder eines Ablaufschrittes sind auch als Beschreibung von Einrichtungen und/oder eventuell Programmanweisungen von ausführbarem Code auf einem Datenträger zu verstehen, die für die Implementierung des Verfahrens oder des Ablaufs oder des Verfahrensschrittes oder des Ablaufschrittes geeignet sind, und umgekehrt.
Bezugszeichenliste
1 Leistungsversorgungsnetz
2 Phasenleiter
3 Neutralleiter
4 Leitungsschutzschalter
9 elektrischer Verbraucher
10 Leistungsschaltvorrichtung
11 Leistungsschalter
12 Steuerungseingang
13 Leistungsbeobachtungsvorrichtung
14 Schaltersteuerungsvorrichtung
18, 19 Anschlüsse
21 Messwiderstand
22 Vorverarbeitung
22a Sample-and-Hold-Verstärker
22b Durchschnittsbildung
23 Quadrierer und integrierer
24 Mittelungsvorrichtung 25 Setzvorrichtung
26 Schwellenwertspeicher
TI Vergleichsvorrichtung
31, 34 Multiplizierer
32 Addierer
33 Register
35 Faktorsetzvorrichtung
41 Verknüpfungsglied
42 Treiberschaltung
50 Verbauort
51 Rechenwertordinate
52 Stromordinate
53 Stromverlauf
54 Rechenwertverlauf
55 Stromschwellenwert
56 Rechenwertschwellenwert
60 Verbraucherinstallation
61 Verbraucher
62 Benützerschalter
63 Stecker
64 Leitung
65 Steckdose
69 elektrisches Gerät
71 Kontakte
72 Anschlüsse
73 verbaute Leistungsschaltvorrichtung
74 Empfänger

Claims

Patentansprüche:
1. Steuerbare Leistungsschaltvorrichtung (10) mit einem Leistungsschalter (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i), einem Steuerungseingang (12) zum Empfangen eines Steuerungsbefehls (Sb) und zur Erzeugung eines Regelschaltsignals (Rss) nach Maßgabe des Steuerungsbefehls, einer Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) zum Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf der Leistungsversorgungsleitung (2i) und zum Erzeugen eines Überwachungsschaltsignals (liess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, einer Schaltersteuerungsvorrichtung (14) zur Steuerung des Leistungsschalters (11) mit einem Schaltersteuerungssignal (Sss) nach Maßgabe des Regelschaltsignals (Rss) und des Überwachungsschaltsignals (liess).
2. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Strommessvorrichtung (21, 22) aufweist zum Messen eines in der Leistungsversorgungsleitung (2i) fließenden Stroms und zum Erzeugen eines Stromsignals (Im) nach Maßgabe des Messergebnisses, wobei das Stromsignal (Im) ein Mittelwert mehrerer Strommessergebnisse sein kann und zur Ermittlung des Überwachungsschaltsignals (liess) herangezogen wird.
3. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 2, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Quadrier- und Integriereinrrichtung (23) aufweist zum Quadrieren des Stromsignals (Im) und Integrieren der Quadrate, wobei das Integrierergebnis als Leistungseffektivwertsignal (Im2) zur Ermittlung des Überwachungsschaltsignals (liess) herangezogen wird.
4. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 3, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Mittelungsvorrichtung (24) aufweist, die ein aktuelles Überwachungssignal (Uesa) aus dem jeweils jüngsten Leistungseffektivwertsignal (Im2) nach folgender Formel berechnet:
Uesa = k*lm2 + (l-k)*Uesv wobei Uesa das aktuelle Überwachungssignal, Uesv das vorherige Überwachungssignal, Im2 das jüngste Leistungseffektivwertsignal (Im2) und k ein vorbestimmter Gewichtungsfaktor zwischen jeweils ausschließlich 0 und 1 sind, und wobei die Leistungsbeobachtungsvorrichtung dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignals (Uess) nach Maßgabe des aktuellen Überwachungssignals (Uesa) zu bestimmen, insbesondere anhand eines Schwellenwertvergleichs.
5. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 4, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Faktorsetzvorrichtung (35) aufweist, die den Gewichtungsfaktor k setzt, insbesondere derart, dass er auf einen vorbestimmten ersten Faktorwert gesetzt wird, wenn das aktuelle Leistungseffektivwertsignal ( Im2) größer als das aktuelle Überwachungssignal (Uesa) ist, und andernfalls auf einen anderen vorbestimmten zweiten Faktorwert, der kleiner als der erste Faktorwert sein kann.
6. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Leistungsbeobachtungsvorrichtung (13) eine Vergleichsvorrichtung (27) aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Überwachungsschaltsignal (Uess) nach Maßgabe des Vergleichs des aktuellen Überwachungssignals (Uesa) mit einem Schwellenwert (Sw 26) zu erzeugen.
7. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach Anspruch 6, bei der die Schaltersteuerungsvorrichtung (14) eine Schwellenwerterzeugungseinrichtung aufweist zum Erzeugen des Schwellenwerts nach Maßgabe eines vorab eingegebenen und gespeicherten Parameters, insbesondere eines Widerstands in der Leistungsschaltvorrichtung (10).
8. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, mit einer Setzeinrichtung (25) zum Eingeben oder Bestimmen und Speichern der Abtastfrequenz der Strommessvorrichtung (21, 22), wobei die Strommessvorrichtung (21, 22) dazu ausgelegt ist, den in der Leistungsversorgungsleitung (2i) fließenden Strom entsprechend der gesetzten Abtastfrequenz zur Messung abzutasten und ggf. aus mehreren Abtastwerten einen Mittelwert zu bilden, um das Stromsignals (Im) zu bilden.
9. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, mit einem A/D-Wandler bei der Strommessvorrichtung (21, 22) zur A/D-Wandlung des Strommesswerts, und mit einer digital arbeitenden Schaltung zur digitalen Weiterverarbeitung der digitalen Ausgabe des A/D-Wandlers.
10. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, wobei die Strommessvorrichtung (21, 22) einen seriellen Messwiderstand oder einen induktiven Abgriff oder einen Hall-Sensor aufweist.
11. Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche und Anspruch 2, bei der der Leistungsschalter (11) ein Relais oder einen Leistungstransistor aufweist und die Schaltersteuerungsvorrichtung (14) eine Treiberschaltung für das Relais oder den Leistungstransistor aufweist, die dazu ausgelegt ist, nach Maßgabe des Schaltersteuerungssignals ein Relaisansteuersignal oder Transistoransteuersignal zu erzeugen.
12. Steckdose mit einem Versorgungsanschluss für den Anschluss an eine Leistungsversorgungsleitung (2i),
Steckkontakten für das Einstecken eines Steckers eines Verbrauchers, und zwischen dem Versorgungsanschluss und wenigstens einem der den Steckkontakte eine Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche.
13. Verbraucherinstallation (60), mit einem elektrischen Verbraucher (61), einem Anschluss (63) an ein Netz (1, L, N) elektrischer Leistung, zwischen dem elektrischen Verbraucher (61) und dem Anschluss (63) einem Benützerschalter (62) zum Schalten elektrischer Leistung für den Verbraucher (61), und zwischen dem elektrischen Verbraucher (61) und dem Anschluss (63) einer Leistungsschaltvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. Leistungsschaltverfahren (10) mit den Schritten
Beobachten einer leistungsrelevanten Größe auf einer Leistungsversorgungsleitung (2i) mit einem Leistungsschalters (11) darin und Erzeugen eines Überwa- chungsschaltsignals (liess) nach Maßgabe des Beobachtungsergebnisses, und
Ansteuern des Leistungsschalters (11) zum Schalten einer Leistungsversorgungsleitung (2i) nach Maßgabe des Überwachungsschaltsignals (liess).
15. Leistungsschaltverfahren (10) nach Anspruch 13, bei dem das Ansteuern des Leistungsschalters (11) nach Maßgabe eines Kennwerts des Leistungsschalters erfolgt, insbesondere seines Innenwiderstands.
16. Leistungsschaltverfahren (10) nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Ansteuern des Leistungsschalters (11) auch nach Maßgabe eines weiteren Kriteriums erfolgt.
EP23738686.7A 2022-07-04 2023-07-04 Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation Pending EP4527001A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022116567.1A DE102022116567A1 (de) 2022-07-04 2022-07-04 Steuerbare Leistungsschaltvorrichtung, Leistungsschaltverfahren, Steckdose, Verbraucherinstallation
PCT/EP2023/068341 WO2024008695A1 (de) 2022-07-04 2023-07-04 Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4527001A1 true EP4527001A1 (de) 2025-03-26

Family

ID=87158341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23738686.7A Pending EP4527001A1 (de) 2022-07-04 2023-07-04 Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4527001A1 (de)
CN (1) CN119487752A (de)
DE (1) DE102022116567A1 (de)
WO (1) WO2024008695A1 (de)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2908597A1 (de) * 1979-03-05 1980-09-25 Westdeutsche Elektrogeraete Elektrische steckvorrichtung mit steckerkolben, steckdose, sowie elektrischem geraet fuer die betaetigung einer stell- und/oder schalt- und/oder anzeigeeinrichtung
US7020790B2 (en) * 2001-02-08 2006-03-28 Honeywell International Inc. Electric load management center including gateway module and multiple load management modules for distributing power to multiple loads
US8264211B2 (en) * 2007-06-28 2012-09-11 Texas Instruments Incorporated Programmable power limiting for power transistor system
US7800251B2 (en) * 2007-10-18 2010-09-21 Hammerhead International, Llc System and method for load control
WO2017093425A2 (de) * 2015-12-01 2017-06-08 HiAsset GmbH Leistungssteuervorrichtung
US11404866B2 (en) * 2016-04-08 2022-08-02 Infineon Technologies Ag Electronic switching and protection circuit with several operation modes
TWI686029B (zh) * 2018-01-24 2020-02-21 旺玖科技股份有限公司 自動偵測待機電流的節能裝置
DE102019119972B3 (de) * 2019-07-24 2021-01-21 Infineon Technologies Ag Intelligenter elektronischer schalter
DE102019121795B4 (de) * 2019-08-13 2022-01-20 Infineon Technologies Ag Intelligenter elektronischer schalter

Also Published As

Publication number Publication date
CN119487752A (zh) 2025-02-18
DE102022116567A1 (de) 2024-01-04
WO2024008695A1 (de) 2024-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1911058B1 (de) Sicherheitsschaltgerät zum steuern einer sicherheitstechnischen einrichtung in einen sicheren zustand
DE102011000897B4 (de) Überstromschutzschaltung
DE102005028881B4 (de) Fehlerstromanalysator zur Erfassung eines Fehlerstroms und Einrichtung mit Fehlerstromerfassungsfunktion
DE602004002588T2 (de) Verfahren und sicherheitseinrichtung für eine erdfehlerschutzschaltung
DE102016102593B4 (de) Verfahren zum Steuern eines Regeltransformators und elektrische Anlage zum Koppeln zweier Wechselstromnetze
DE102004056436A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Fehlerstrom-Lichtbögen in elektrischen Stromkreisen
DE102010043254A1 (de) Messsystem zur Überwachung mindestens einer Phase eines Systems
DE102013217743B4 (de) Verfahren und Steuergerät zum Begrenzen einer elektrischen Belastung in einem Netzzweig eines elektrischen Netzes
DE102013220403B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Zustandserkennung
WO2009043766A1 (de) Steuerung der anzeigehintergrundbeleuchtung bei einem leistungsschalter
DE202017102652U1 (de) Netzspannungssteckdose
DE102014118425A1 (de) Zonenselektive verriegelnde (ZSI-) Energieverteilungssysteme und Verfahren zum Betrieb eines ZSI - Energieverteilungssystems
DE102018103997A1 (de) Energieverteilungssysteme und Verfahren zum Betreiben von Energieverteiungssystemen mit einem Kommunikationsnetzwerk
DE102020101193A1 (de) Elektrisches Schutzschaltersystem mit temperaturabhängiger Gesamtstromüberwachung
EP2289144B1 (de) Verfahren zum erzeugen eines pendelsignals und elektrisches schutz- oder messgerät mit einer pendelerkennungseinrichtung
EP3721519B1 (de) Fehlabschaltsicheres betriebsverfahren für eine dezentrale energieerzeugungsanlage
EP4527001A1 (de) Steuerbare leistungsschaltvorrichtung, leistungsschaltverfahren, steckdose, verbraucherinstallation
EP1896917A1 (de) Heizvorrichtung für fluide und haushaltsgerät
DE102010037995B4 (de) Stromversorgungsgerät und Stromversorgungssystem mit ebensolchem
EP3367017A1 (de) Zwischensteckervorrichtung
EP1113558A2 (de) Relais mit Überstromschutz
DE102006019467A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Kurzschlussfrüherkennung in einem elektrischen Netz
DE102019126438B4 (de) Kompensationsvorrichtung für Ableitströme
EP1745535A1 (de) Vorrichtung zum schutz vor thermischer überlastung
DE20108065U1 (de) Einrichtung zum Überwachen der Stromverbraucher in einem Stromkreis

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20241217

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)