WO2010145757A1 - Control method for triggering an electronic safety switch - Google Patents

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WO2010145757A1
WO2010145757A1 PCT/EP2010/003363 EP2010003363W WO2010145757A1 WO 2010145757 A1 WO2010145757 A1 WO 2010145757A1 EP 2010003363 W EP2010003363 W EP 2010003363W WO 2010145757 A1 WO2010145757 A1 WO 2010145757A1
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control method
circuit breaker
triggering
sum value
values
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PCT/EP2010/003363
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Christian Strobl
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Ellenberger & Poensgen Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/093Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means
    • H02H3/0935Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current with timing means the timing being determined by numerical means
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10Operating or release mechanisms
    • H01H71/12Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/123Automatic release mechanisms with or without manual release using a solid-state trip unit
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H73/00Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
    • H01H73/22Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism having electrothermal release and no other automatic release
    • H01H73/26Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism having electrothermal release and no other automatic release reset by tumbler

Definitions

  • the invention relates to a control method for triggering an electronic circuit breaker.
  • the invention further relates to an electronic circuit breaker operating according to this method.
  • a circuit breaker serves to automatically open an electrical load circuit upon the occurrence of a trip condition, i. to interrupt electrically.
  • the tripping condition is usually an overcurrent (short circuit or overload). Additionally or alternatively, however, a circuit breaker may also be set up to trip in the event of a different trip condition, in particular in the event of under voltage or overvoltage.
  • Thermal circuit breakers usually comprise a tripping element in the form of a load current flowing through the bimetal or wire, the thermally induced change in shape triggers the circuit breaker.
  • tripping usually takes place by direct energization of a magnet coil by the load current itself.
  • An overcurrent circuit breaker with a thermal tripping principle is known, for example, from EP 0 616 347 B1.
  • Another circuit breaker with an additional undervoltage release is known from EP 0 802 552 B1.
  • Circuit breakers with a thermal tripping principle in particular have the advantage over circuit breakers with other tripping principle that they respond to overcurrents of different strengths with a comparatively strongly varying tripping delay (holding time).
  • a thermal circuit breaker interrupts the load circuit to be monitored in case of short circuit due to the then sudden heating of the triggering element quasi instanten.
  • the same circuit breaker triggers due to the in this case only gradually heating trigger element after a relatively long holding time.
  • a thermal circuit breaker advantageously tolerates short-term overload cases by such a circuit breaker overload periods which are harmless due to their strength and duration for the load circuit to be protected, not triggers.
  • the tripping condition is detected in an electronic circuit breaker by an electronic circuit, in particular by a microcontroller with control software implemented therein.
  • the trip electronics upon detection of the trip condition, generate a trip signal, which in turn is used to actuate, e.g. magnetic trigger leads.
  • Electronic circuit breakers and control methods for driving them are e.g. from EP 1 383 217 A1 and DE 40 00 627 A1.
  • the triggering electronics of a conventional electronic circuit breaker is often based on characteristic tables that simulate the tripping behavior of a thermal circuit breaker.
  • Such a triggering electronics is - with sufficiently finely graded load dependence of the holding time characteristic - usually relatively complex to implement.
  • the control electronics when formed by a microcontroller, often have a comparatively high demand for computational power and / or memory.
  • the technical requirements of the control electronics, in particular the storage space and computing power requirements, thereby increase disproportionately with increasing differentiation (gradation) of the tripping characteristic.
  • the invention is based on the object to provide a control method for triggering an electronic circuit breaker, with simple means, in particular low storage space requirement and / or lower Computing power is feasible.
  • the control method should also be flexibly adaptable to different requirements with regard to the load-dependent tripping characteristic.
  • the invention is further based on the object of specifying an electronic circuit breaker suitable for carrying out the method.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • samples of a relevant for the triggering of the circuit breaker input signal at a predetermined sampling frequency are continuously detected.
  • a first sum value is formed over a predetermined number of sampled values acquired, and a trigger signal is generated when this first sum value fulfills a predetermined first triggering criterion.
  • a second sum value is formed over a predetermined number of first sum values determined, the trigger signal also being generated when this second sum value fulfills a predetermined second triggering criterion.
  • the method described above is preferably designed for triggering the circuit breaker in the event of overcurrent (short-circuit or overload).
  • the current intensity of the current flowing in the load circuit to be monitored is expediently used as trigger-relevant input signal.
  • other input signals in particular the voltage present in the load circuit, a temperature measurement signal, etc. can also be used as an input signal in the context of the control method according to the invention.
  • sample values which represent the value of a quantity derived from the input signal can also be used for determining the first summation value within the scope of the invention.
  • Derivative quantities are in particular the absolute value of the input signal, a value proportional to the input signal or its absolute value, the square or some other polynomial of the input signal, etc.
  • the "first summation value” denotes any variable which is based on an optionally scaled sum of a plurality of sampled values, in particular the simple sum of a plurality of sampled values, an average formed from a plurality of sampled values or a variable proportional or squared thereto, etc.
  • the "second sum value” denotes any variable which is based, directly or indirectly, on a possibly scaled sum of a plurality of first sum values.
  • the first or second triggering criterion is, in particular, a threshold value comparison.
  • the triggering signal is generated in particular when the first summation value or the second summation value exceeds a respectively assigned threshold value.
  • nth test stage 2, 3, 4
  • a number of summation values of the (n-1) -th test stage formed an n-th sum value, and generates the trigger signal even if the n-th sum value meets a predetermined n-th trigger criterion.
  • the core idea of the control method described above is to perform a multistage test based on a cascading sum over samples of the input signal or the quantity derived therefrom.
  • the or each further test stage connected downstream of a first test stage uses the sum values determined in the respectively preceding test stage for the calculation of a superordinate total value.
  • the hold time attributable to a test stage increases in proportion to the number of samples taken into account in the summation made in this test stage. Since each downstream test stage has at least two summing If the values of the upstream test stage are taken into account, the hold time from each test stage to the next test stage is at least doubled. Within a multistage test cascade, the hold time increases exponentially (in terms of magnitude).
  • control method can therefore be technically realized by means of a comparatively simple control electronics, in particular by means of a comparatively simple microcontroller.
  • first summation values are preferably always determined from overlapping-free sequences of the sampled values. Each of these samples is therefore used only once for the determination of a first sum value, and then discarded. Conveniently, consecutive first summation values are also calculated from two sequences of samples which adjoin one another directly, so that each detected sample is taken into account exactly once in the determination of a first summation value.
  • two consecutive second (and possibly nth) sum values are determined from overlap-free sequences of the first (or (n-1) th) sum values.
  • the first sum value is preferably always calculated from a contiguous sequence of consecutive samples.
  • the first sum value is calculated from a number of immediately consecutive samples.
  • the second and possibly n-th sum value formed from a number of temporally immediately successive first or (n-1) -th cumulative values.
  • the samples are read to form the first sum value in a so-called first-in-first-out memory (also: shift register) whose number of storage locations corresponds to the number of samples to be considered in the summation.
  • first-in-first-out memory also: shift register
  • this memory is always read only after one of its number of storage locations corresponding number of measuring cycles. With two memory locations, the memory is therefore read out after every second measuring cycle. In other words, the respective memory is always read out only when it is completely filled up with new (that is, not yet taken into account in the previous summation value) samples.
  • a corresponding method is preferably also used to determine the second and possibly any further sum value.
  • the control method for triggering the circuit breaker is designed in the event of a short circuit.
  • the first summation value is expediently calculated from sampled values which represent a measure of the absolute value of the current intensity of the load current.
  • the control program for triggering the circuit breaker in case of overload is formed.
  • the first summation value is expediently calculated from sampled values which represent a measure of the squared current intensity of the load current.
  • the two variants of the method described above are performed parallel to each other and simultaneously. The method thus has a short-circuit release string and an overload release string in this embodiment.
  • control method in an expedient embodiment in addition to an immediate triggering step, at which the trigger signal is already generated even if a single sample meets a predetermined triggering criterion, in particular exceeds an associated threshold value.
  • the method is designed such that it can be used both for monitoring a DC circuit and for monitoring an AC circuit.
  • the sampling frequency is chosen such that it is an integer multiple of the line frequency of the alternating current to be monitored.
  • the sampling frequency is an integer multiple of 50Hz.
  • the sampling frequency is at least 3 times the mains frequency.
  • the ratio of the sampling frequency to the network frequency is preferably in the two-digit range, in particular at 20.
  • the first summation value is formed over one or more full periods of the alternating current to be monitored if necessary.
  • the number of acquired samples corresponding to one or more full oscillations of the alternating current is used to calculate the first summation value, so that the number of samples taken into account for determining the first summation value corresponds to the ratio of the sampling frequency to the mains frequency or to an integer multiple of this ratio ,
  • the rms value of an alternating current variable in particular the rms current intensity or effective voltage, is calculated as the first summation value.
  • the circuit breaker comprises an insulating housing, a switch contact for reversible contact closure (ie opening and closing) of a load circuit to be monitored, a release magnet, which via a trigger mechanism on the switch contact acts, as well as a triggering electronics for controlling the trigger magnet.
  • the triggering electronics is in this case for automatically carrying out the above-described Set up control method in one of its variants, ie designed circuit and / or program technology.
  • the triggering electronics is in a preferred embodiment of the circuit breaker in the form of a microcontroller, in which the control method is implemented by software in the form of a control program.
  • FIG. 3 in a representation according to FIG. 2 the circuit breaker in an ON position in a non-triggered state
  • FIG. 6 is a block diagram of a control electronics for controlling the circuit breaker
  • FIG. 7 and 8 in current-time diagrams respectively show the time sequence of a control system implemented in the control electronics according to FIG. 6 for triggering the circuit breaker in the event of a short circuit or overload
  • FIG. 7 and 8 in current-time diagrams respectively show the time sequence of a control system implemented in the control electronics according to FIG. 6 for triggering the circuit breaker in the event of a short circuit or overload
  • FIG. 9 shows in a time-current diagram two characteristics that characterize the tripping behavior of the circuit breaker in the event of a short circuit or overload.
  • Fig. 1 shows an exploded view of an electronic circuit breaker 1.
  • the circuit breaker 1 is designed here as an overcurrent circuit breaker.
  • Additive- lent triggers the circuit breaker 1 when falling below a predetermined undervoltage threshold.
  • the circuit breaker 1 comprises a housing 2 made of insulating plastic, which in turn comprises a housing pan 3 and a housing cover 4.
  • the closed housing 2 has substantially the shape of a flat square, which is closed on three narrow sides.
  • a to the front 5 opposite narrow side of the housing 2 is referred to below as the rear wall 7.
  • the two adjacent (opposite) narrow sides of the housing 2 form the side walls 8 and 9, respectively.
  • the housing pan 3 is essentially formed by a housing bottom 10, the rear wall 7, and by the side walls 8, 9, while the housing cover 4 is essentially formed by a rectangular plate 11, the edge with approximately right-angled formed detent eyelets 12 for locking corresponding locking lugs 13 of the side walls 8 and 9 is provided. Furthermore, at right angles to the plate 11 in the region of the rear wall 7 edge facing pins 14 are formed, which are approximately accurately inserted in complementary slots 15 of the rear wall 7.
  • the circuit breaker 1 further comprises a printed circuit board 20, which is used in the assembled state substantially parallel to the housing cover 4 in the housing 2.
  • circuit board 20 On the circuit board 20, three electrical contact rails 21, 22 and 23, and a substantially serving as a trigger element of the circuit breaker 1 electromagnet 24 soldered. Furthermore, a triggering electronics 25, not shown here, is arranged on the printed circuit board 20 for controlling the electromagnet 24.
  • the contact rails 21 and 23 serve for the contact closure with a load circuit 26 to be monitored (FIG. 3, 6).
  • the contact rail 22 serves as a printed circuit board connection for supplying voltage to the tripping electronics 25 and the electromagnet 24.
  • the circuit breaker 1 further comprises a triggering mechanism 30 for actuating and releasing.
  • the triggering mechanism 30 in turn comprises, in addition to the switching rocker 6, a switching lever 31, a release lever 32, and a plunger 33.
  • Fig. 2 the circuit breaker 1 is shown in a sectional side view in an assembled state.
  • a longitudinal direction Y parallel to the side walls 8, 9 and a transverse direction X directed from the side wall 8 to the side wall 9 are indicated here.
  • the contact rails 21, 22 and 23 are aligned in their main surface extent each approximately parallel to the side walls 8 and 9, and thus approximately at right angles to the surface area of the circuit board 20.
  • the contact rails 21 and 23 are in each case arranged in the immediate vicinity of one of the side walls 8 and 9, while the contact rail 22 is arranged approximately centrally between the two other contact rails 21, 23.
  • Each of the contact rails 21, 22, 23 is guided for connection purposes with a free end 34, 35, 36 in each case through a corresponding slot 37 in the rear wall 7 to the outside.
  • Each slot 37 is closed on the housing cover 4 side facing in the assembled state otherwise by one of the pins 14.
  • contact surface 45 is formed.
  • the assembly formed from the contact spring 41, the contact surface 42 and the contact surface 45 is hereinafter referred to as the switching contact 46.
  • the contact spring 41 extends approximately in the transverse direction X over the housing width, so that the contact surfaces 42 and 45 for reversible closing of the load circuit 26 can be brought into contact.
  • the release lever 32 Seen in the longitudinal direction Y between the electromagnet 24 and the contact spring 41, the release lever 32 is arranged.
  • the release lever 32 has an approximately rectangular shape with a long leg 55 (approximately in the transverse direction X) and a short leg 56 (approximately in the longitudinal direction Y).
  • the impact point of the two legs 55,56 is referred to below as knee 57.
  • the release lever 32 In the region of the knee 57, the release lever 32 is pivotally mounted on a pin 59 (shown in phantom) of the housing 2.
  • the plunger 33 On the long leg 55, the plunger 33 is pivotally mounted at its end facing away from the knee 57 via a film hinge 60. The plunger 33 extends, starting from the long leg 55 in the longitudinal direction Y to the switching rocker. 6
  • the shift lever 31 is seen in the longitudinal direction Y above the contact spring 41 is arranged. It is formed by a substantially approximately triangular, rigid part, which is guided with a pin 61 in a slot guide 62 of the housing 2.
  • the switching rocker 6 comprises a shell-shaped body 63, as well as a projecting into the housing 2 shaft 64. By means of a passage 65 in the shaft 64, the rocker switch 6 is pivotally mounted on a pin 66 of the housing 2.
  • the switching rocker 6 is coupled to the shift lever 31 via a journal 67 arranged at the free end of the shaft 64, which engages in an approximately hockey-club-shaped guide 69 (FIG. 3) of the shift lever 31.
  • the guide 69 is optionally formed as a groove or slot.
  • the switching rocker 6 corresponds via the plunger 33 with the release lever 32nd
  • the shift lever 31 in turn acts on the one hand by means of a retaining lug 70 with a retaining shoulder 71 on the short leg 56 of the release lever 32 together. On the other hand, the shift lever 31 acts on the contact spring 41 via an active surface 72.
  • the release lever 32 corresponds to a magnetic yoke 73, which is snapped by means of two locking angle 74 on this and cushioned by means of a magnet yoke 73 and release lever 32 clamped compression spring 75, with the magnetic core 52 of the electromagnet 24th
  • Fig. 2 shows the circuit breaker 1 in an OFF position of its rocker switch 6. In the OFF position, the rocker switch 6 is biased by the spring force of a leg spring 81 in the tilt position shown in Fig. 2.
  • the shift lever 31 In the OFF position, the shift lever 31 is released, i. he acts on neither the contact spring 41 nor the release lever 32.
  • the contact spring 41 is in a rest position in which the contact between the contact surfaces 42 and 45 is interrupted.
  • the rocker switch 6 In the OFF position, the rocker switch 6 further pushes the plunger 33 downward by urging the free plunger end 87 in the longitudinal direction Y, whereby the magnetic yoke 73 is brought into contact with the magnetic core 52. If the electromagnet 24 is energized via the tripping electronics 25, the magnetic yoke 73 and the tripping lever 32 are held in the position shown in FIG. 2 by magnetic closure with the electromagnet 24. If the switching rocker 6 is now tilted into an ON position shown in FIG. 3, the shift lever 31 first strikes against the retaining shoulder 71 of the release lever 32 with the retaining lug 70.
  • the solenoid 24 When triggered, the solenoid 24 is deactivated by the triggering electronics 25, i. de-energized, and thus the magnetic yoke 73 released.
  • the release lever 32 is pivoted as a result of the action of a leg spring 92 in the counterclockwise direction about the knee 57 in the position shown in Fig. 4.
  • rocker switch 6 If the rocker switch 6 is not blocked in the ON position, it tilts back under the action of the leg spring 81 in the OFF position shown in FIG.
  • FIG. 5 the circuit breaker 1 in an angled cross-section VV of FIG. 2 is shown.
  • This illustration shows that the printed circuit board 20 abuts with a first edge 96 approximately at the rear wall 7 and with a thereto opposite edge 97 projects into the switching rocker 6.
  • the moving parts of the release mechanism 30, namely the rocker switch 6, the shift lever 31 and the release lever 32 with the plunger 33 including the associated springs 81 and 92 are all arranged on the side facing away from the housing cover 4 side of the circuit board 20 are.
  • the printed circuit board 20 is assembled outside the housing 2 with the contact rails 21, 22, 23 of the contact spring 41 and the electromagnet 24 to form a firmly connected preassembled module.
  • This pre-assembly which includes all current or live parts of the circuit breaker 1 is inserted as a whole into the housing pan 3 with the tripping mechanism 30 inserted therein. Subsequently, only the housing cover 4 has to be clipped onto the housing trough 3 in order to complete the installation, which is therefore very unostentatious overall.
  • the triggering electronics 25 is formed in the illustrated embodiment, at least substantially by a microcontroller.
  • a control program 100 shown in greater detail in FIG. 6 is implemented by software, which automatically carries out a method described in more detail below for triggering the circuit breaker 1 in the event of a short circuit or overload.
  • the control program 100 comprises two parallel functional strands, namely a (short-circuit tripping) strand 101 and an (overload tripping) strand 102, which branch off from a common strand 103.
  • the (load) current i in the load circuit 26 is first determined by means of a current sensor 104 as an input signal.
  • the current sensor 104 (formed, for example, by a shunt or a current transformer) outputs as an output signal an analog current measurement signal i A in the form of a current-proportional voltage to a downstream analog-digital (AD) converter 106.
  • the current measurement signal I " D is generated such that
  • the circuit breaker 1 is provided primarily for monitoring an AC load circuit.
  • the comparison in a module 11O 0 with the clock frequency f m of each measured measure sample of the magnitude signal i B with a discrete characteristic point k 0 a stored (short-circuit tripping) characteristic K (Fig. 9).
  • the comparison module 11O 0 remains inactive as long as the sample of the magnitude signal i B does not exceed the characteristic point ko (i B ⁇ k 0 ). Otherwise (i B > k 0 ) is the comparison module 11Oo a trigger signal A, due to which the energization of the electromagnet 24 is interrupted, and the circuit breaker 1 is thus triggered.
  • the current measurement signal i D , or the magnitude signal i B thus contains digital samples of the current i to discrete, each with a time interval of f m "1 consecutive sampling times.
  • the characteristic point ko represents the so-called instantaneous triggering threshold.
  • the value of the characteristic point ko is a measure of the maximum permissible overcurrent intensity on average over a holding time t H (FIG.
  • Amount signal iß which exceeds the characteristic point ko, so enough to trigger the circuit breaker 1.
  • a - subsequent - first test stage of Kurzröösestrangs 101 is at the clock frequency f m , ie in each measuring cycle, the respectively determined sample of the current amount i B in a first (First-ln-First-Out) memory 113- ⁇ with a number written by (here exemplary: two) memory locations.
  • the mean value i M i is supplied as a test variable to a subsequent comparison module 110i.
  • the comparison module 110i compares this mean value JM I again with an associated characteristic point ki of the characteristic curve K and outputs - analogous to the comparison module 11O 0 - the trigger signal A, if the mean value i M i exceeds the characteristic point ki in terms of value (i M i> ki) ,
  • the mean value i M i of the first test stage is fed as an input quantity to a second test stage, which analogously to the first test stage has a further (first-in-first-out) memory 113 2 , a further sum module 12O 2 and a further comparison module 110 2 .
  • the memory 113 ⁇ receives in each case as an input signal the mean value i M (ni) of the directly superordinate test stage (n-1) th order.
  • a mean value i Mn is always generated with the clock frequency f m / 2 "divided by 2 n , which is compared with a characteristic point k n in the comparison module 11O n .
  • a square signal p with p i ß ⁇ i ß calculated as shown in FIG. 6 first in a squaring module 130 from the magnitude signal i ß as a measure of the power of the load current.
  • This square signal p is read in with the clock frequency f m into a first-in-first-out memory 131 of a zeroth test stage of the sub-string 102.
  • the memory 131 has - again for the use of the circuit breaker 1 for securing an AC load circuit - a number q of memory locations, which corresponds to the ratio of the clock frequency f m to the usual network frequency f N or a multiple thereof:
  • a sum module 132 connected downstream of the memory 131 always calculates a rounded mean value p M o from the values of the square signal p stored in the memory 131 according to a number of measuring clock pulses corresponding to the number q-indicated by the clock symbols 133.
  • the mean value p M o hereby represents a measure of the effective power of the load current.
  • a value of the square signal p stored in the memory 131 is thereby always taken into account only once in the averaging.
  • the mean value PMO is compared in a downstream comparison module 136o with a characteristic point Uo of a stored (overload tripping) characteristic U (FIG. 9), the comparison module 136o generating the tripping signal A when the mean value PMO exceeds the square of the characteristic point Uo in terms of value (PM O > U 0 2 ).
  • the square Uo 2 of the characteristic point U 0 thus represents a measure of the maximum permissible effective power of the load current.
  • test stages are also provided in sub-string 102, which correspond in terms of design and function to the corresponding test stages of sub-string 101.
  • Each of these test stages comprises
  • a sum module 14O n which calculates with 1/2 ⁇ - fold clock frequency 1/2 ⁇ f e a mean value P M ⁇ of the values contained in the memory 138 n , and
  • a comparison module 136 n which compares this mean value PM ⁇ with the square U n 2 of an associated characteristic point U n and generates the triggering signal A in the case P M ⁇ > U n 2 .
  • the counting variable n 1, 2, 3,... In this case again denotes the hierarchical order of the respective checking stage.
  • the characteristic curves K and U are shown in FIG. 9 in a log-log plot versus the hold time t H (plotted here on the ordinate). On the abscissa of the diagram, the current i is plotted as a percentage of the nominal current intensity I N of the circuit breaker 1.
  • the characteristic curve K comprises four characteristic curve points ko, ki,..., Ic 4 , while the characteristic curve U is formed of thirteen characteristic points U 0 , UI,..., U1 2 . From FIG. 9 it becomes clear that the characteristic curves K and U cover a holding time interval of 10 '3 s ⁇ » ⁇ 10 2 s without overlap.
  • the current values (tripping values) of the characteristic points k n and U n can be chosen freely, in a departure from the example shown in FIG. 9.
  • the characteristic points k n and U n are expediently selected such that the characteristic curves K and U each fall strictly monotonically, so that the holding time t H is always shorter, the higher the current value of the respective characteristic point k n or U n .
  • the number of characteristic points k n and U n can basically be freely selected for each of the characteristic curves K and U.
  • the number of test stages of sub-branches 101 and 102 is always equal to the number of characteristic points k n and U n of each associated characteristic curve k n or U n with respect to the associated holding time t ⁇ a test stage of the sub-string 101 and 102, respectively.
  • threshold values are fed to the test stages which are derived from the characteristic points k n or U n by interpolation or extrapolation in accordance with the holding times tn assigned to the test stages.
  • the circuit breaker 1 has a construction due to a passive undervoltage tripping function, especially since the triggering mechanism 30 forcibly triggers when the voltage applied between the contact rails 21 and 22 voltage is no longer sufficient to supply the electromagnet 24 and / or the triggering electronics 25 sufficiently with electrical energy.
  • This function can be used in particular to remotely trigger the circuit breaker 1 by means of a contact rail 22 downstream switch.
  • the circuit breaker 1 optionally has an active overvoltage triggering function, which is implemented, in particular by software engineering, in an undervoltage triggering block (not shown) of the control program 100.
  • the control program 100 detects continuously and in parallel with the sequence of the program shown in FIG. partly the amount (in the AC voltage case the effective amount) of the applied voltage between the contact rails 21 and 22 and compares the detected voltage amount with a stored threshold value. In this case, the control program 100 generates the trigger signal A when the detected voltage amount falls below the threshold value.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to a control method for triggering an electronic safety switch (1), which can be implemented with simple means, particularly with a low storage space requirement and/or low computing power. According to the invention, sampling values (iB, p) of an input signal (i) relevant for triggering the safety switch (1) are continuously registered using a predetermined sampling frequency (fm). In a first test stage, a first cumulative value (iM1, pM0) is formed from a number of registered sampling values (iB, p), and a trigger signal (A) is generated if said first cumulative value (iM1, pM0) satisfies a predetermined first trigger criterion. In a further test stage, a second cumulative value (iM2, pM1) is formed from a number of determined first cumulative values (iM1, pM0), wherein the trigger signal (A) is generated even if said second cumulative value (iM2, pM1) satisfies a predetermined second trigger criterion.

Description

Beschreibung Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters Description Control method for triggering an electronic circuit breaker
Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen nach diesem Verfahren arbeitenden elektronischen Schutzschalter.The invention relates to a control method for triggering an electronic circuit breaker. The invention further relates to an electronic circuit breaker operating according to this method.
Ein Schutzschalter dient dazu, einen elektrischen Laststromkreis bei Eintritt einer Auslösebedingung selbsttätig zu öffnen, d.h. elektrisch zu unterbrechen. Bei der Auslösebedingung handelt es sich gewöhnlicherweise um einen Überstrom (Kurz- schluss oder Überlast). Zusätzlich oder alternativ kann ein Schutzschalter aber auch dazu eingerichtet sein, bei einer anderen Auslösebedingung, insbesondere bei einer Unter- oder Überspannung, auszulösen.A circuit breaker serves to automatically open an electrical load circuit upon the occurrence of a trip condition, i. to interrupt electrically. The tripping condition is usually an overcurrent (short circuit or overload). Additionally or alternatively, however, a circuit breaker may also be set up to trip in the event of a different trip condition, in particular in the event of under voltage or overvoltage.
Bei einem klassischen Schutzschalter wird das Vorliegen der Auslösebedingung üblicherweise durch ein thermisches und/oder magnetisches Wirkprinzip detek- tiert. Thermische Schutzschalter umfassen in der Regel ein Auslöseelement in Form eines vom Laststrom durchflossenen Bimetalls oder Dehndrahts, dessen thermisch bedingte Formänderung den Schutzschalter auslöst. Bei magnetischen Schutzschaltern erfolgt die Auslösung in der Regel durch unmittelbare Energetisierung einer Magnetspule durch den Laststrom selbst. Ein Überstrom- schutzschalter mit thermischen Auslöseprinzip ist beispielsweise aus EP 0 616 347 B1 bekannt. Ein weiterer Schutzschalter mit einer zusätzlichen Unterspannungsauslösung ist aus EP 0 802 552 B1 bekannt.In a conventional circuit breaker, the presence of the tripping condition is usually detected by a thermal and / or magnetic action principle. Thermal circuit breakers usually comprise a tripping element in the form of a load current flowing through the bimetal or wire, the thermally induced change in shape triggers the circuit breaker. In the case of magnetic circuit breakers, tripping usually takes place by direct energization of a magnet coil by the load current itself. An overcurrent circuit breaker with a thermal tripping principle is known, for example, from EP 0 616 347 B1. Another circuit breaker with an additional undervoltage release is known from EP 0 802 552 B1.
Schutzschalter mit einem thermischen Auslöseprinzip haben gegenüber Schutzschaltern mit anderem Auslöseprinzip insbesondere den Vorteil, dass sie auf Überströme unterschiedlicher Stärke mit einer vergleichsweise stark variierenden Auslöseverzögerung (Haltezeit) reagieren. So unterbricht ein thermischer Schutzschalter den zu überwachenden Laststromkreis im Kurzschlussfall aufgrund der dann sprunghaften Erwärmung des Auslöseelements quasi instanten. Im Falle einer nur geringen Überlast löst derselbe Schutzschalter dagegen aufgrund des sich in diesem Fall nur allmählich erwärmenden Auslöseelements erst nach einer vergleichsweise langen Haltezeit aus. Die Haltezeit tH eines thermischen Schutzschalters variiert hierbei kontinuierlich in Abhängigkeit des im Überstromfall fließenden Stroms I, nämlich üblicherweise etwa gemäß der Beziehung l2 tπ = konstant. Infolge dieses lastabhängig differenzierten Haltezeitunterschieds reagiert ein thermischer Schutzschalter vorteilhafterweise tolerant gegenüber kurzzeitigen Überlastfällen, indem ein solcher Schutzschalter bei Überlastperioden, die aufgrund ihrer Stärke und Dauer für den zu schützenden Laststromkreis ungefährlich sind, nicht auslöst.Circuit breakers with a thermal tripping principle in particular have the advantage over circuit breakers with other tripping principle that they respond to overcurrents of different strengths with a comparatively strongly varying tripping delay (holding time). Thus, a thermal circuit breaker interrupts the load circuit to be monitored in case of short circuit due to the then sudden heating of the triggering element quasi instanten. In the case of only a slight overload, however, the same circuit breaker triggers due to the in this case only gradually heating trigger element after a relatively long holding time. The holding time t H of a thermal circuit breaker in this case varies continuously as a function of the current I flowing in the overcurrent case, namely usually approximately according to the relationship l 2 tπ = constant. As a result of this load-dependent differentiated holding time difference, a thermal circuit breaker advantageously tolerates short-term overload cases by such a circuit breaker overload periods which are harmless due to their strength and duration for the load circuit to be protected, not triggers.
Im Gegensatz zu einem klassischen Schutzschalter der vorstehend genannten Art wird die Auslösebedingung bei einem elektronischen Schutzschalter durch eine elektronische Schaltung, insbesondere durch einen MikroController mit darin implementierter Steuersoftware, detektiert. Die Auslöseelektronik erzeugt bei Erkennung der Auslösebedingung ein Auslösesignal, das dann wiederum zur Betätigung eines z.B. magnetischen Auslösers führt. Elektronische Schutzschalter und Steuerverfahren zur Ansteuerung derselben sind z.B. aus EP 1 383 217 A1 und DE 40 00 627 A1 bekannt.In contrast to a classic circuit breaker of the aforementioned type, the tripping condition is detected in an electronic circuit breaker by an electronic circuit, in particular by a microcontroller with control software implemented therein. The trip electronics, upon detection of the trip condition, generate a trip signal, which in turn is used to actuate, e.g. magnetic trigger leads. Electronic circuit breakers and control methods for driving them are e.g. from EP 1 383 217 A1 and DE 40 00 627 A1.
Die Auslöseelektronik eines herkömmlichen elektronischen Schutzschalters beruht häufig auf Kennwerttabellen, die das Auslöseverhalten eines thermischen Schutzschalters nachbilden. Eine solche Auslöseelektronik ist - bei hinreichend feinstufiger Lastabhängigkeit der Haltezeitkennlinie - in der Regel nur vergleichsweise aufwändig zu realisieren. Zum Beispiel hat die Steuerelektronik, wenn sie durch einen MikroController gebildet ist, häufig einen vergleichsweise hohen Bedarf an Rechenleistung und/oder Arbeitsspeicher. Die technischen Anforderungen an die Steuerelektronik, insbesondere den Speicherplatz- bzw. Rechenleistungsbedarf, steigen dabei in der Regel überproportional mit zunehmender Differenzierung (Abstufung) der Auslösekennlinie.The triggering electronics of a conventional electronic circuit breaker is often based on characteristic tables that simulate the tripping behavior of a thermal circuit breaker. Such a triggering electronics is - with sufficiently finely graded load dependence of the holding time characteristic - usually relatively complex to implement. For example, the control electronics, when formed by a microcontroller, often have a comparatively high demand for computational power and / or memory. The technical requirements of the control electronics, in particular the storage space and computing power requirements, thereby increase disproportionately with increasing differentiation (gradation) of the tripping characteristic.
Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters anzugeben, das mit einfachen Mitteln, insbesondere geringem Speicherplatzbedarf und/oder geringer Rechenleistung realisierbar ist. Das Steuerverfahren soll dabei insbesondere auch flexibel an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der lastabhängigen Auslösecharakteristik anpassbar sein. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten elektronischen Schutzschalter anzugeben.The invention is based on the object to provide a control method for triggering an electronic circuit breaker, with simple means, in particular low storage space requirement and / or lower Computing power is feasible. In particular, the control method should also be flexibly adaptable to different requirements with regard to the load-dependent tripping characteristic. The invention is further based on the object of specifying an electronic circuit breaker suitable for carrying out the method.
Bezüglich des Steuerverfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach werden Abtastwerte eines für die Auslösung des Schutzschalters relevanten Eingangssignals mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz fortlaufend erfasst. In einer ersten Prüfstufe wird über eine vorgegebene Anzahl erfasster Abtastwerte ein erster Summenwert gebildet, und ein Auslösesignal erzeugt, wenn dieser erste Summenwert ein vorgegebenes erstes Auslösekriterium erfüllt. In einer weiteren Prüfstufe wird über eine vorgegebene Anzahl von ermittelten ersten Summenwerten ein zweiter Summenwert gebildet, wobei das Auslösesignal auch dann erzeugt wird, wenn dieser zweite Summenwert ein vorgegebenes zweites Auslösekriterium erfüllt.With regard to the control method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Thereafter, samples of a relevant for the triggering of the circuit breaker input signal at a predetermined sampling frequency are continuously detected. In a first test stage, a first sum value is formed over a predetermined number of sampled values acquired, and a trigger signal is generated when this first sum value fulfills a predetermined first triggering criterion. In a further test stage, a second sum value is formed over a predetermined number of first sum values determined, the trigger signal also being generated when this second sum value fulfills a predetermined second triggering criterion.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist vorzugsweise zur Auslösung des Schutzschalters bei Überstrom (Kurzschluss oder Überlast) ausgebildet. In diesem Fall wird als auslöserelevantes Eingangssignal zweckmäßigerweise die Stromstärke des in dem zu überwachenden Laststromkreis fließenden Stroms herangezogen. Jedoch können auch andere Eingangssignale, insbesondere die im Laststromkreis anliegende Spannung, ein Temperaturmesssignal, etc. im Rahmen des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens als Eingangssignal herangezogen werden.The method described above is preferably designed for triggering the circuit breaker in the event of overcurrent (short-circuit or overload). In this case, the current intensity of the current flowing in the load circuit to be monitored is expediently used as trigger-relevant input signal. However, other input signals, in particular the voltage present in the load circuit, a temperature measurement signal, etc. can also be used as an input signal in the context of the control method according to the invention.
Anstelle von Abtastwerten, die direkt den (zeitabhängigen) Wert des Eingangssignals (also z.B. die Stromstärke im Laststromkreis) wiedergeben, können für die Ermittlung des ersten Summenwerts im Rahmen der Erfindung auch Abtastwerte herangezogen werden, die den Wert einer aus dem Eingangssignal abgeleiteten Größe wiedergeben. Abgeleitete Größen sind dabei insbesondere der Absolutbetrag des Eingangssignals, ein zu dem Eingangssignal oder dessen Absolutbetrag proportionaler Wert, das Quadrat oder ein sonstiges Polynom des Eingangssignals, etc. Der „erste Summenwert" bezeichnet eine beliebige Größe, die auf einer ggf. skalierten Summe mehrerer Abtastwerte beruht, insbesondere die einfache Summe mehrerer Abtastwerte, einen aus mehreren Abtastwerten gebildeten Mittelwert oder eine hierzu proportionale oder quadrierte Größe, etc.Instead of sampling values which directly reproduce the (time-dependent) value of the input signal (that is to say the current intensity in the load circuit), sample values which represent the value of a quantity derived from the input signal can also be used for determining the first summation value within the scope of the invention. Derivative quantities are in particular the absolute value of the input signal, a value proportional to the input signal or its absolute value, the square or some other polynomial of the input signal, etc. The "first summation value" denotes any variable which is based on an optionally scaled sum of a plurality of sampled values, in particular the simple sum of a plurality of sampled values, an average formed from a plurality of sampled values or a variable proportional or squared thereto, etc.
Ebenso bezeichnet der „zweite Summenwerte" eine beliebige Größe, die unmittelbar oder mittelbar auf einer ggf. skalierten Summe mehrerer erster Summenwerte beruht.Likewise, the "second sum value" denotes any variable which is based, directly or indirectly, on a possibly scaled sum of a plurality of first sum values.
Bei dem ersten bzw. zweiten Auslösekriterium handelt es sich insbesondere um einen Schwellwertvergleich. Dabei wird das Auslösesignal insbesondere dann erzeugt, wenn der erste Summenwert oder der zweite Summenwert einen jeweils zugeordneten Schwellwert überschreitet.The first or second triggering criterion is, in particular, a threshold value comparison. In this case, the triggering signal is generated in particular when the first summation value or the second summation value exceeds a respectively assigned threshold value.
Das vorstehend anhand von lediglich zwei Summenbildungen beschriebene Verfahrensprinzip kann im Rahmen der Erfindung auf eine beliebige Anzahl von kaskadenartig nachgeschalteten Prüfstufen und Summenbildungen ausgeweitet werden: Allgemein wird dabei in der n-ten Prüfstufe (n = 2,3,4,...) aus einer Anzahl von Summenwerten der (n-1 )-ten Prüfstufe ein n-ter Summenwert gebildet, und das Auslösesignal auch dann erzeugt, wenn der n-te Summenwert ein vorgegebenes n-tes Auslösekriterium erfüllt.In the context of the invention, the method principle described above with reference to only two summation formations can be extended to an arbitrary number of test stages and summation circuits connected in cascade-like fashion. Generally, in the nth test stage (n = 2, 3, 4, a number of summation values of the (n-1) -th test stage formed an n-th sum value, and generates the trigger signal even if the n-th sum value meets a predetermined n-th trigger criterion.
Die Kernidee des vorstehend beschriebenen Steuerverfahrens besteht darin, eine mehrstufige Prüfung auf Basis einer kaskadenartigen Summenbildung über Abtastwerte des Eingangssignals oder der daraus abgeleiteten Größe vorzunehmen. Im Rahmen dieser Kaskadenstruktur nutzt die oder jede einer ersten Prüfstufe nachgeschaltete weitere Prüfstufe die in der jeweils vorgeschalteten Prüfstufe ermittelten Summenwerte zur Berechnung eines übergeordneten Summenwerts.The core idea of the control method described above is to perform a multistage test based on a cascading sum over samples of the input signal or the quantity derived therefrom. In the context of this cascade structure, the or each further test stage connected downstream of a first test stage uses the sum values determined in the respectively preceding test stage for the calculation of a superordinate total value.
Die einer Prüfstufe zuzuordnende Haltezeit steigt proportional mit der Anzahl der Abtastwerte, die bei der in dieser Prüfstufe vorgenommenen Summenbildung berücksichtigt wurden. Da jede nachgeschaltete Prüfstufe mindestens zwei Sum- menwerte der vorgeschalteten Prüfstufe berücksichtigt, wird die Haltezeit von jeder Prüfstufe zu der nächstfolgenden Prüfstufe mindestens verdoppelt. Innerhalb einer mehrstufigen Prüfkaskade steigt die Haltezeit somit (der Größenordnung nach) exponentiell an.The hold time attributable to a test stage increases in proportion to the number of samples taken into account in the summation made in this test stage. Since each downstream test stage has at least two summing If the values of the upstream test stage are taken into account, the hold time from each test stage to the next test stage is at least doubled. Within a multistage test cascade, the hold time increases exponentially (in terms of magnitude).
Aufgrund der kaskadenartigen Mittelwertbildung steigt der Speicherplatz, der zur Berechnung der Summenwerte erforderlich ist, aber (größenordnungsmäßig) nur linear mit der Anzahl der Prüfstufen. Die exponentielle Staffelung der Haltezeiten wird somit mit einem Aufwand an Rechenleistung und Speicherplatzbedarf erzielt, der lediglich proportional mit der Anzahl von Prüfstufen ansteigt. Das Steuerverfahren kann daher mittels einer vergleichsweise einfachen Steuerelektronik, insbesondere mittels eines vergleichsweise einfachen MikroControllers, technisch realisiert werden.Due to the cascade-like averaging, the memory required to calculate the summation values increases, but (on the order of magnitude) only linearly with the number of test stages. The exponential staggering of the holding times is thus achieved with an expenditure of computing power and storage space requirement, which increases only proportionally with the number of test stages. The control method can therefore be technically realized by means of a comparatively simple control electronics, in particular by means of a comparatively simple microcontroller.
Im Sinne einer optimierten Informationsausnutzung bei möglichst geringem Rechenaufwand werden vorzugsweise zwei zeitlich aufeinanderfolgende erste Summenwerte stets aus überlappfreien Abfolgen der Abtastwerte bestimmt. Jeder dieser Abtastwerte wird also stets nur einmal für die Bestimmung eines ersten Summenwerts verwendet, und danach verworfen. Zweckmäßigerweise werden aufeinanderfolgende erste Summenwerte zudem aus zwei Abfolgen von Abtastwerten berechnet, die unmittelbar aneinander angrenzen, so dass jeder erfasste Abtastwert bei der Ermittlung eines ersten Summenwerts genau einmal berücksichtigt wird.In the sense of an optimized utilization of information with as little computation as possible, two temporally successive first summation values are preferably always determined from overlapping-free sequences of the sampled values. Each of these samples is therefore used only once for the determination of a first sum value, and then discarded. Conveniently, consecutive first summation values are also calculated from two sequences of samples which adjoin one another directly, so that each detected sample is taken into account exactly once in the determination of a first summation value.
Auf entsprechende Weise werden vorzugsweise zwei aufeinanderfolgende zweite (und ggf. n-te) Summenwerte aus überlappfreien Abfolgen der ersten (bzw. (n-1 )- ten) Summenwerte bestimmt.In a corresponding manner, preferably two consecutive second (and possibly nth) sum values are determined from overlap-free sequences of the first (or (n-1) th) sum values.
Ferner erfolgt die Berechnung des ersten Summenwerts vorzugsweise stets aus einer zusammenhängenden Abfolge der aufeinanderfolgenden Abtastwerte. Der erste Summenwert wird mit anderen Worten aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastwerten berechnet. Ebenso wird vorzugsweise der zweite und ggf. n-te Summenwert aus einer Anzahl von zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten bzw. (n-1 )-ten Summenwerten gebildet.Furthermore, the first sum value is preferably always calculated from a contiguous sequence of consecutive samples. In other words, the first sum value is calculated from a number of immediately consecutive samples. Likewise, preferably the second and possibly n-th sum value formed from a number of temporally immediately successive first or (n-1) -th cumulative values.
In einer numerisch unaufwändigen Ausführung des Steuerprogramms werden die Abtastwerte zur Bildung des ersten Summenwertes in einen sogenannten First-In- First-Out-Speicher (auch: Schieberegister) eingelesen, dessen Speicherplatzanzahl der Anzahl der bei der Summenwertbildung zu berücksichtigenden Abtastwerte entspricht. Um auf besonders einfache Weise sicherzustellen, dass der erste Summenwert stets aus überlappfreien Abfolgen von Abtastwerten gebildet wird, wird dieser Speicher immer nur nach einer seiner Speicherplatzanzahl entsprechenden Anzahl von Messtakten ausgelesen. Bei zwei Speicherplätzen wird der Speicher also nach jedem zweiten Messtakt ausgelesen. Der jeweilige Speicher wird hierdurch mit anderen Worten immer erst dann ausgelesen, wenn er wieder vollständig mit neuen (d.h. in der vorausgegangenen Summenwertbildung noch nicht berücksichtigten) Abtastwerten aufgefüllt ist. Ein entsprechendes Verfahren wird vorzugsweise auch zur Ermittlung des zweiten und ggf. jedes weiteren Summenwertes angewendet.In a numerically uncomplicated execution of the control program, the samples are read to form the first sum value in a so-called first-in-first-out memory (also: shift register) whose number of storage locations corresponds to the number of samples to be considered in the summation. In order to ensure in a particularly simple manner that the first sum value is always formed from overlapping sequences of samples, this memory is always read only after one of its number of storage locations corresponding number of measuring cycles. With two memory locations, the memory is therefore read out after every second measuring cycle. In other words, the respective memory is always read out only when it is completely filled up with new (that is, not yet taken into account in the previous summation value) samples. A corresponding method is preferably also used to determine the second and possibly any further sum value.
In einer bevorzugten Variante ist das Steuerverfahren zur Auslösung des Schutzschalters im Kurzschlussfall ausgebildet. Bei dieser Verfahrensvariante wird der erste Summenwert zweckmäßigerweise aus Abtastwerten berechnet, die ein Maß für den Absolutbetrag der Stromstärke des Laststroms darstellen. In einer weiteren Verfahrensvariante ist das Steuerprogramm zur Auslösung des Schutzschalters im Überlastfall ausgebildet. Bei dieser Verfahrensvariante wird der erste Summenwert zweckmäßigerweise aus Abtastwerten berechnet, die ein Maß für die quadrierte Stromstärke des Laststroms darstellen. In bevorzugter Ausführung des Schutzschalters werden die beiden vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten parallel zueinander und gleichzeitig durchgeführt. Das Verfahren hat in dieser Ausführung somit einen Kurzschlussauslösestrang sowie einen Überlastauslösestrang.In a preferred variant, the control method for triggering the circuit breaker is designed in the event of a short circuit. In this variant of the method, the first summation value is expediently calculated from sampled values which represent a measure of the absolute value of the current intensity of the load current. In a further variant of the method, the control program for triggering the circuit breaker in case of overload is formed. In this variant of the method, the first summation value is expediently calculated from sampled values which represent a measure of the squared current intensity of the load current. In a preferred embodiment of the circuit breaker, the two variants of the method described above are performed parallel to each other and simultaneously. The method thus has a short-circuit release string and an overload release string in this embodiment.
Vorzugsweise, insbesondere für die Kurzschlussauslösung, weist das Steuerverfahren in zweckmäßiger Ausführung zusätzlich einen Sofort-Auslöseschritt auf, bei dem das Auslösesignal auch dann bereits erzeugt wird, wenn ein einzelner Abtastwert ein vorgegebenes Auslösekriterium erfüllt, insbesondere einen zugeordneten Schwellwert überschreitet.Preferably, in particular for the short-circuit release, the control method in an expedient embodiment in addition to an immediate triggering step, at which the trigger signal is already generated even if a single sample meets a predetermined triggering criterion, in particular exceeds an associated threshold value.
In einer zweckmäßigen weiteren Ausführungsform ist das Verfahren derart gestaltet, dass es sowohl zur Überwachung eines Gleichstromkreises als auch zur Überwachung eines Wechselstromkreises einsetzbar ist. Die Abtastfrequenz ist hierzu derart gewählt, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz des zu überwachenden Wechselstroms ist. Bei einer üblichen Netzfrequenz von 50Hz beträgt die Abtastfrequenz also ein ganzzahliges Vielfaches von 50Hz. In zweckmäßiger Ausgestaltung beträgt die Abtastfrequenz mindestens das 3-fache der Netzfrequenz. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Abtastfrequenz zur Netzfrequenz aber im zweistelligen Bereich, insbesondere bei 20.In an expedient further embodiment, the method is designed such that it can be used both for monitoring a DC circuit and for monitoring an AC circuit. For this purpose, the sampling frequency is chosen such that it is an integer multiple of the line frequency of the alternating current to be monitored. At a normal mains frequency of 50Hz, the sampling frequency is an integer multiple of 50Hz. In an expedient embodiment, the sampling frequency is at least 3 times the mains frequency. However, the ratio of the sampling frequency to the network frequency is preferably in the two-digit range, in particular at 20.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens, insbesondere für die Überlasterkennung, wird der erste Summenwert über eine oder mehrere Vollperioden des ggf. zu überwachenden Wechselstroms gebildet. Mit anderen Worten wird zur Berechnung des ersten Summenwertes diejenige Anzahl von erfassten Abtastwerten herangezogen, die einer oder mehreren Vollschwingungen des Wechselstroms entspricht, so dass die Anzahl der zur Ermittlung des ersten Summenwerts berücksichtigten Abtastwerte dem Verhältnis der Abtastfrequenz zur Netzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Verhältnisses entspricht. Als erster Summenwert wird dabei insbesondere der Effektivwert einer Wechselstromgröße, insbesondere die Effektivstromstärke oder Effektivspannung berechnet.In a preferred variant of the method, in particular for the overload detection, the first summation value is formed over one or more full periods of the alternating current to be monitored if necessary. In other words, the number of acquired samples corresponding to one or more full oscillations of the alternating current is used to calculate the first summation value, so that the number of samples taken into account for determining the first summation value corresponds to the ratio of the sampling frequency to the mains frequency or to an integer multiple of this ratio , In this case, the rms value of an alternating current variable, in particular the rms current intensity or effective voltage, is calculated as the first summation value.
Bezüglich des Schutzschalters wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11. Danach umfasst der Schutzschalter ein isolierendes Gehäuse, eine Schaltkontakt zum reversiblen Kontaktschluss (d.h. Öffnen und Schließen) eines zu überwachenden Laststromkreises, einen Auslösemagnet, welcher über eine Auslösemechanik auf den Schaltkontakt wirkt, sowie eine Auslöseelektronik zur Ansteuerung des Auslösemagneten. Die Auslöseelektronik ist hierbei zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen Steuerverfahrens in einer seiner Varianten eingerichtet, d.h. schaltungs- und/oder programmtechnisch ausgebildet.With respect to the circuit breaker, the above object is achieved by the features of claim 11. Thereafter, the circuit breaker comprises an insulating housing, a switch contact for reversible contact closure (ie opening and closing) of a load circuit to be monitored, a release magnet, which via a trigger mechanism on the switch contact acts, as well as a triggering electronics for controlling the trigger magnet. The triggering electronics is in this case for automatically carrying out the above-described Set up control method in one of its variants, ie designed circuit and / or program technology.
Die Auslöseelektronik liegt in bevorzugter Ausbildung des Schutzschalters in Form eines Mikrokontrollers vor, in dem das Steuerverfahren softwaretechnisch in Form eines Steuerprogramms implementiert ist.The triggering electronics is in a preferred embodiment of the circuit breaker in the form of a microcontroller, in which the control method is implemented by software in the form of a control program.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Fig. 1 in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung einen elektronischen Schutzschalter,1 in a three-dimensional exploded view of an electronic circuit breaker,
Fig. 2 in einer Schnittdarstellung den Schutzschalter in einer AUS-Stellung,2 is a sectional view of the circuit breaker in an OFF position,
Fig. 3 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Schutzschalter in einer EIN-Stellung in nicht ausgelöstem Zustand,3 in a representation according to FIG. 2 the circuit breaker in an ON position in a non-triggered state, FIG.
Fig. 4 in Darstellung gemäß Fig. 2 den Schutzschalter in der EIN-Stellung, jedoch in ausgelöstem Zustand,2 in the illustration of FIG. 2, the circuit breaker in the ON position, but in a triggered state,
Fig. 5 den Schutzschalter in einem Schnitt V-V gemäß Fig. 2,5 shows the circuit breaker in a section V-V of FIG. 2,
Fig. 6 in einem Blockschaltbild eine Ansteuerelektronik zur Ansteuerung des Schutzschalters,6 is a block diagram of a control electronics for controlling the circuit breaker,
Fig. 7 und 8 in Strom-Zeit-Diagrammen jeweils den zeitlichen Ablauf eines in der Ansteuerelektronik gemäß Fig. 6 implementierten Steuerverfahrens zur Auslösung des Schutzschalters im Kurzschluss- bzw. Überlastfall, und7 and 8 in current-time diagrams respectively show the time sequence of a control system implemented in the control electronics according to FIG. 6 for triggering the circuit breaker in the event of a short circuit or overload, and FIG
Fig.9 in einem Zeit-Strom-Diagramm zwei Kennlinien, die das Auslöseverhalten des Schutzschalters im Kurzschluss- oder Überlastfall charakterisieren.9 shows in a time-current diagram two characteristics that characterize the tripping behavior of the circuit breaker in the event of a short circuit or overload.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.
Fig. 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen elektronischen Schutzschalter 1. Der Schutzschalter 1 ist hier als ein Überstromschutzschalter ausgeführt. Zusatz- lieh löst der Schutzschalter 1 bei Unterschreitung einer vorgegebenen Unterspannungsschwelle aus.Fig. 1 shows an exploded view of an electronic circuit breaker 1. The circuit breaker 1 is designed here as an overcurrent circuit breaker. Additive- lent triggers the circuit breaker 1 when falling below a predetermined undervoltage threshold.
Der Schutzschalter 1 umfasst ein Gehäuse 2 aus isolierendem Kunststoff, welches wiederum eine Gehäusewanne 3 sowie einen Gehäusedeckel 4 umfasst. Das geschlossene Gehäuse 2 weist im Wesentlichen die Form eines Flachquaders auf, der an drei Schmalseiten geschlossen ist. An der vierten Schmalseite, welche im Folgenden als Frontseite 5 bezeichnet ist, ist im Montagezustand als Bedienelement eine kippbare Schaltwippe 6 zum Aktivieren bzw. Deaktivieren des Schutzschalters 1 eingesetzt. Eine zur Frontseite 5 entgegengesetzte Schmalseite des Gehäuses 2 ist im Folgenden als dessen Rückwand 7 bezeichnet. Die beiden angrenzenden (einander gegenüberliegenden) Schmalseiten des Gehäuses 2 bilden dessen Seitenwände 8 bzw. 9.The circuit breaker 1 comprises a housing 2 made of insulating plastic, which in turn comprises a housing pan 3 and a housing cover 4. The closed housing 2 has substantially the shape of a flat square, which is closed on three narrow sides. On the fourth narrow side, which is referred to below as the front side 5, a tilting rocker switch 6 is used to activate or deactivate the circuit breaker 1 in the assembled state as a control element. A to the front 5 opposite narrow side of the housing 2 is referred to below as the rear wall 7. The two adjacent (opposite) narrow sides of the housing 2 form the side walls 8 and 9, respectively.
Die Gehäusewanne 3 ist im Wesentlichen durch einen Gehäuseboden 10, die Rückwand 7, sowie durch die Seitenwände 8, 9 gebildet, während der Gehäusedeckel 4 im Wesentlichen durch eine rechteckige Platte 11 gebildet ist, die randseitig mit in etwa rechtwinklig angeformten Rastösen 12 zum Verrasten mit korrespondierenden Rastnasen 13 der Seitenwände 8 bzw. 9 versehen ist. Weiterhin sind an die Platte 11 im Bereich ihres der Rückwand 7 zugewandten Randes rechtwinklig abstehende Zapfen 14 angeformt, die in komplementäre Schlitze 15 der Rückwand 7 etwa passgenau einsteckbar sind.The housing pan 3 is essentially formed by a housing bottom 10, the rear wall 7, and by the side walls 8, 9, while the housing cover 4 is essentially formed by a rectangular plate 11, the edge with approximately right-angled formed detent eyelets 12 for locking corresponding locking lugs 13 of the side walls 8 and 9 is provided. Furthermore, at right angles to the plate 11 in the region of the rear wall 7 edge facing pins 14 are formed, which are approximately accurately inserted in complementary slots 15 of the rear wall 7.
Der Schutzschalter 1 umfasst weiterhin eine Leiterplatte 20, welche im Montagezustand im Wesentlichen parallel zum Gehäusedeckel 4 in das Gehäuse 2 eingesetzt ist.The circuit breaker 1 further comprises a printed circuit board 20, which is used in the assembled state substantially parallel to the housing cover 4 in the housing 2.
Auf der Leiterplatte 20 sind drei elektrische Kontaktschienen 21 , 22 bzw. 23, sowie ein im Wesentlichen als Auslöseelement des Schutzschalters 1 dienender Elektromagnet 24 aufgelötet. Weiterhin ist auf der Leiterplatte 20 eine hier nicht weiter dargestellte Auslöseelektronik 25 zur Ansteuerung des Elektromagneten 24 angeordnet. Die Kontaktschienen 21 und 23 dienen zum Kontaktschluss mit einem zu überwachenden Laststromkreis 26 (Fig. 3,6). Die Kontaktschiene 22 dient als Leiterplat- tenanschluss zur Spannungsversorgung der Auslöseelektronik 25 und des Elektromagneten 24.On the circuit board 20, three electrical contact rails 21, 22 and 23, and a substantially serving as a trigger element of the circuit breaker 1 electromagnet 24 soldered. Furthermore, a triggering electronics 25, not shown here, is arranged on the printed circuit board 20 for controlling the electromagnet 24. The contact rails 21 and 23 serve for the contact closure with a load circuit 26 to be monitored (FIG. 3, 6). The contact rail 22 serves as a printed circuit board connection for supplying voltage to the tripping electronics 25 and the electromagnet 24.
Der Schutzschalter 1 umfasst weiterhin zum Betätigen und Auslösen eine Auslösemechanik 30. Die Auslösemechanik 30 wiederum umfasst zusätzlich zu der Schaltwippe 6 einen Schalthebel 31 , einen Auslösehebel 32, sowie einen Stößel 33.The circuit breaker 1 further comprises a triggering mechanism 30 for actuating and releasing. The triggering mechanism 30 in turn comprises, in addition to the switching rocker 6, a switching lever 31, a release lever 32, and a plunger 33.
In Fig. 2 ist der Schutzschalter 1 in einer geschnittenen Seitenansicht in einem Montagezustand gezeigt. Zur Orientierung ist hier eine zu den Seitenwänden 8, 9 parallele Längsrichtung Y, sowie eine von der Seitenwand 8 auf die Seitenwand 9 gerichtete Querrichtung X angedeutet.In Fig. 2, the circuit breaker 1 is shown in a sectional side view in an assembled state. For orientation, a longitudinal direction Y parallel to the side walls 8, 9 and a transverse direction X directed from the side wall 8 to the side wall 9 are indicated here.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Kontaktschienen 21 , 22 bzw. 23 in ihrer Hauptflächenausdehnung jeweils etwa parallel zu den Seitenwänden 8 bzw. 9 und somit etwa rechtwinklig zur Flächenausdehnung der Leiterplatte 20 ausgerichtet sind. Die Kontaktschienen 21 und 23 sind hierbei jeweils in unmittelbarer Nähe einer der Seitenwände 8 bzw. 9 angeordnet, während die Kontaktschiene 22 in etwa mittig zwischen den beiden anderen Kontaktschienen 21 ,23 angeordnet ist. Jede der Kontaktschienen 21 ,22,23 ist zu Anschlusszwecken mit einem Freiende 34,35,36 jeweils durch einen entsprechenden Schlitz 37 in der Rückwand 7 nach außen geführt. Jeder Schlitz 37 wird auf der dem Gehäusedeckel 4 zugewandten Seite im Montagezustand im Übrigen durch einen der Zapfen 14 abgeschlossen.From Fig. 2 it can be seen that the contact rails 21, 22 and 23 are aligned in their main surface extent each approximately parallel to the side walls 8 and 9, and thus approximately at right angles to the surface area of the circuit board 20. The contact rails 21 and 23 are in each case arranged in the immediate vicinity of one of the side walls 8 and 9, while the contact rail 22 is arranged approximately centrally between the two other contact rails 21, 23. Each of the contact rails 21, 22, 23 is guided for connection purposes with a free end 34, 35, 36 in each case through a corresponding slot 37 in the rear wall 7 to the outside. Each slot 37 is closed on the housing cover 4 side facing in the assembled state otherwise by one of the pins 14.
An die Kontaktschiene 21 ist im Bereich ihres von dem Freiende 34 abgewandten Festendes 40 eine in etwa rechtwinklig abstehende blattfederartige Kontaktfeder 41 angebracht, die wiederum freiendseitig eine Kontaktfläche 42 aufweist.To the contact rail 21 is in the region of its remote from the free end 34 fixed end 40 an approximately perpendicularly projecting leaf spring-like contact spring 41 is attached, which in turn freiendseitig has a contact surface 42.
An der Kontaktschiene 23 ist am entsprechenden Festende 44 eine ebenfalls in etwa rechtwinklig abstehende, mit der Kontaktfläche 42 korrespondierende Kon- taktfläche 45 angeformt. Die aus der Kontaktfeder 41 , der Kontaktfläche 42 und der Kontaktfläche 45 gebildete Baugruppe ist nachfolgend als Schaltkontakt 46 bezeichnet.At the contact rail 23, at the corresponding fixed end 44, a likewise projecting approximately at right angles, corresponding to the contact surface 42, is arranged. contact surface 45 is formed. The assembly formed from the contact spring 41, the contact surface 42 and the contact surface 45 is hereinafter referred to as the switching contact 46.
Die Kontaktfeder 41 erstreckt sich etwa in Querrichtung X über die Gehäusebreite, so dass die Kontaktflächen 42 und 45 zum reversiblen Schließen des Laststromkreises 26 in Kontakt gebracht werden können.The contact spring 41 extends approximately in the transverse direction X over the housing width, so that the contact surfaces 42 and 45 for reversible closing of the load circuit 26 can be brought into contact.
Zwischen den beiden Kontaktschienen 21 und 23 ist der Elektromagnet 24 angeordnet, wobei dieser mit der Längsachse 50 seines Spulenkörpers 51 , d.h. in Längsausdehnung seines Magnetkerns 52, etwa entlang der Querrichtung X ausgerichtet ist. Er ist mittels Lötkontakten 53 auf der Leiterplatte 20 aufgelötet. An seiner der Seitenfläche 9 zugewandten Seite ragt der Magnetkern 52 aus dem Spulenkörper 51 heraus.Between the two contact rails 21 and 23 of the electromagnet 24 is arranged, wherein this with the longitudinal axis 50 of its bobbin 51, i. in longitudinal extent of its magnetic core 52, approximately along the transverse direction X is aligned. He is soldered by means of solder contacts 53 on the circuit board 20. At its side surface 9 side facing the magnetic core 52 protrudes from the bobbin 51 out.
In Längsrichtung Y gesehen zwischen dem Elektromagneten 24 und der Kontaktfeder 41 ist der Auslösehebel 32 angeordnet. Der Auslösehebel 32 weist eine etwa rechtwinklige Form mit einem Langschenkel 55 (etwa in Querrichtung X) und einem Kurzschenkel 56 (etwa in Längsrichtung Y) auf. Der Stoßpunkt der beiden Schenkel 55,56 ist im Folgenden als Knie 57 bezeichnet. Im Bereich des Knies 57 ist der Auslösehebel 32 auf einem Zapfen 59 (gestrichelt dargestellt) des Gehäuses 2 schwenkbar gelagert.Seen in the longitudinal direction Y between the electromagnet 24 and the contact spring 41, the release lever 32 is arranged. The release lever 32 has an approximately rectangular shape with a long leg 55 (approximately in the transverse direction X) and a short leg 56 (approximately in the longitudinal direction Y). The impact point of the two legs 55,56 is referred to below as knee 57. In the region of the knee 57, the release lever 32 is pivotally mounted on a pin 59 (shown in phantom) of the housing 2.
An dem Langschenkel 55 ist an seinem von dem Knie 57 abgewandten Ende der Stößel 33 über ein Filmscharnier 60 schwenkbar angebracht. Der Stößel 33 erstreckt sich, von dem Langschenkel 55 ausgehend in Längsrichtung Y bis zur Schaltwippe 6.On the long leg 55, the plunger 33 is pivotally mounted at its end facing away from the knee 57 via a film hinge 60. The plunger 33 extends, starting from the long leg 55 in the longitudinal direction Y to the switching rocker. 6
Der Schalthebel 31 ist in Längsrichtung Y gesehen oberhalb der Kontaktfeder 41 angeordnet. Er ist durch ein im Wesentlichen etwa dreieckiges, starres Teil gebildet, welches mit einem Zapfen 61 in einer Langlochführung 62 des Gehäuses 2 geführt ist. Die Schaltwippe 6 umfasst einen schalenförmigen Körper 63, sowie einen in das Gehäuse 2 hineinragenden Schaft 64. Mittels einer Durchführung 65 im Schaft 64 ist die Schaltwippe 6 schwenkbar auf einem Zapfen 66 des Gehäuses 2 gelagert.The shift lever 31 is seen in the longitudinal direction Y above the contact spring 41 is arranged. It is formed by a substantially approximately triangular, rigid part, which is guided with a pin 61 in a slot guide 62 of the housing 2. The switching rocker 6 comprises a shell-shaped body 63, as well as a projecting into the housing 2 shaft 64. By means of a passage 65 in the shaft 64, the rocker switch 6 is pivotally mounted on a pin 66 of the housing 2.
Die Schaltwippe 6 ist mit dem Schalthebel 31 über einen am Freiende des Schaftes 64 angeordneten Zapfen 67 gekoppelt, der in eine etwa hockeyschlägerförmi- ge Führung 69 (Fig. 3) des Schalthebels 31 eingreift. Die Führung 69 ist wahlweise als Nut oder Langloch ausgebildet. Zudem korrespondiert die Schaltwippe 6 über den Stößel 33 mit dem Auslösehebel 32.The switching rocker 6 is coupled to the shift lever 31 via a journal 67 arranged at the free end of the shaft 64, which engages in an approximately hockey-club-shaped guide 69 (FIG. 3) of the shift lever 31. The guide 69 is optionally formed as a groove or slot. In addition, the switching rocker 6 corresponds via the plunger 33 with the release lever 32nd
Der Schalthebel 31 wiederum wirkt zum Einen mittels einer Haltenase 70 mit einer Halteschulter 71 am Kurzschenkel 56 des Auslösehebels 32 zusammen. Zum Anderen wirkt der Schalthebel 31 über eine Wirkfläche 72 auf die Kontaktfeder 41.The shift lever 31 in turn acts on the one hand by means of a retaining lug 70 with a retaining shoulder 71 on the short leg 56 of the release lever 32 together. On the other hand, the shift lever 31 acts on the contact spring 41 via an active surface 72.
Der Auslösehebel 32 korrespondiert über ein Magnetjoch 73, welches mittels zweier Rastwinkel 74 an diesem aufgeschnappt und mittels einer zwischen Magnetjoch 73 und Auslösehebel 32 eingespannten Druckfeder 75 abgefedert ist, mit dem Magnetkern 52 des Elektromagneten 24.The release lever 32 corresponds to a magnetic yoke 73, which is snapped by means of two locking angle 74 on this and cushioned by means of a magnet yoke 73 and release lever 32 clamped compression spring 75, with the magnetic core 52 of the electromagnet 24th
Fig. 2 zeigt den Schutzschalter 1 in einer AUS-Stellung seiner Schaltwippe 6. In der AUS-Stellung wird die Schaltwippe 6 durch die Federkraft einer Schenkelfeder 81 in der in Fig. 2 dargestellten Kippposition vorgespannt.Fig. 2 shows the circuit breaker 1 in an OFF position of its rocker switch 6. In the OFF position, the rocker switch 6 is biased by the spring force of a leg spring 81 in the tilt position shown in Fig. 2.
In der AUS-Stellung ist der Schalthebel 31 freigegeben, d.h. er beaufschlagt weder die Kontaktfeder 41 noch den Auslösehebel 32. Die Kontaktfeder 41 befindet sich in einer Ruhelage, in der der Kontakt zwischen den Kontaktflächen 42 und 45 unterbrochen ist.In the OFF position, the shift lever 31 is released, i. he acts on neither the contact spring 41 nor the release lever 32. The contact spring 41 is in a rest position in which the contact between the contact surfaces 42 and 45 is interrupted.
In der AUS-Stellung drückt die Schaltwippe 6 den Stößel 33 weiterhin durch Beaufschlagung des freien Stößelendes 87 in Längsrichtung Y nach unten, wodurch das Magnetjoch 73 mit dem Magnetkern 52 in Kontakt gebracht wird. Wird der Elektromagnet 24 über die Auslöseelektronik 25 bestromt, so werden das Magnetjoch 73 und der Auslösehebel 32 durch Magnetschluss mit dem Elektromagneten 24 in der in Fig. 2 dargestellten Position gehalten. Wird die Schaltwippe 6 nun in eine in Fig. 3 dargestellte EIN-Stellung verkippt, so schlägt der Schalthebel 31 zunächst mit der Haltenase 70 an der Halteschulter 71 des Auslösehebels 32 an. Infolge der Zwei-Punkt-Lagerung an der Halteschulter 71 und dem in der Führung 69 einliegenden Zapfen 67 wird der Schalthebel 31 unter weiterer Verkippung der Schaltwippe 6 (gemäß Fig. 3 im Uhrzeigersinn) verschwenkt. Er schlägt hierdurch mit der Wirkfläche 72 an der Kontaktfeder 41 an und drückt diese bis zum Kontaktschluss der Kontaktflächen 42 und 45 in Längsrichtung Y nach unten. Der Laststromkreis 26 ist in diesem Zustand über die Kontaktschienen 21 und 23 sowie über die Kontaktfeder 41 geschlossen.In the OFF position, the rocker switch 6 further pushes the plunger 33 downward by urging the free plunger end 87 in the longitudinal direction Y, whereby the magnetic yoke 73 is brought into contact with the magnetic core 52. If the electromagnet 24 is energized via the tripping electronics 25, the magnetic yoke 73 and the tripping lever 32 are held in the position shown in FIG. 2 by magnetic closure with the electromagnet 24. If the switching rocker 6 is now tilted into an ON position shown in FIG. 3, the shift lever 31 first strikes against the retaining shoulder 71 of the release lever 32 with the retaining lug 70. As a result of the two-point bearing on the retaining shoulder 71 and the 69 inserted in the guide pin 67 of the shift lever 31 is pivoted with further tilting of the rocker switch 6 (clockwise in FIG. 3). He thereby proposes with the active surface 72 on the contact spring 41 and pushes them until the contact closure of the contact surfaces 42 and 45 in the longitudinal direction Y down. The load circuit 26 is closed in this state via the contact rails 21 and 23 and via the contact spring 41.
Im Auslösefall wird der Elektromagnet 24 durch die Auslöseelektronik 25 deaktiviert, d.h. stromlos geschaltet, und somit das Magnetjoch 73 freigegeben. Der Auslösehebel 32 wird infolge dessen unter Wirkung einer Schenkelfeder 92 im Gegenuhrzeigersinn um das Knie 57 in die in Fig. 4 dargestellte Lage verschwenkt.When triggered, the solenoid 24 is deactivated by the triggering electronics 25, i. de-energized, and thus the magnetic yoke 73 released. The release lever 32 is pivoted as a result of the action of a leg spring 92 in the counterclockwise direction about the knee 57 in the position shown in Fig. 4.
Hierdurch entkoppelt die Haltenase 70 des Schalthebels 31 von der Halteschulter 71 des Auslösehebels 32. Infolge der fehlenden Gegenkopplung wird der Schalthebel 31 im Gegenuhrzeigersinn in die in Fig. 4 dargestellte Lage verschwenkt, in der er die Kontaktfeder 41 wieder freigibt, so dass die Kontaktflächen 42 und 45 getrennt werden. Dieser Auslösemechanismus erfolgt insbesondere auch dann, wenn die Schaltwippe 6, in der EIN-Stellung gemäß Fig. 4 blockiert ist (Freiauslösung).As a result of the lack of negative feedback of the shift lever 31 is pivoted counterclockwise in the position shown in Fig. 4, in which he releases the contact spring 41 again, so that the contact surfaces 42nd and 45 are separated. This triggering mechanism is in particular also when the switching rocker 6, in the ON position shown in FIG. 4 is blocked (free release).
Wird die Schaltwippe 6 nicht in der EIN-Stellung blockiert, so kippt sie unter Wirkung der Schenkelfeder 81 in die AUS-Stellung gemäß Fig. 2 zurück.If the rocker switch 6 is not blocked in the ON position, it tilts back under the action of the leg spring 81 in the OFF position shown in FIG.
In Fig. 5 ist der Schutzschalter 1 in einem abgewinkelten Querschnitt V-V gemäß Fig. 2 gezeigt. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die Leiterplatte 20 mit einem ersten Rand 96 in etwa an der Rückwand 7 anliegt und mit einem dazu entgegengesetzten Rand 97 in die Schaltwippe 6 hineinragt. Aus Fig. 5 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Bewegteile der Auslösemechanik 30, nämlich die Schaltwippe 6, der Schalthebel 31 und der Auslösehebel 32 mit dem Stößel 33 einschließlich der zugehörigen Federn 81 und 92 allesamt auf der vom Gehäusedeckel 4 abgewandten Seite der Leiterplatte 20 angeordnet sind.5, the circuit breaker 1 in an angled cross-section VV of FIG. 2 is shown. This illustration shows that the printed circuit board 20 abuts with a first edge 96 approximately at the rear wall 7 and with a thereto opposite edge 97 projects into the switching rocker 6. From Fig. 5 it is also seen that the moving parts of the release mechanism 30, namely the rocker switch 6, the shift lever 31 and the release lever 32 with the plunger 33 including the associated springs 81 and 92 are all arranged on the side facing away from the housing cover 4 side of the circuit board 20 are.
Die Leiterplatte 20 wird außerhalb des Gehäuses 2 mit den Kontaktschienen 21 ,22,23 der Kontaktfeder 41 und dem Elektromagneten 24 zu einer fest zusammenhängenden Vormontagebaugruppe zusammengesetzt. Diese Vormontagebaugruppe, die alle ström- oder spannungsführenden Teile des Schutzschalters 1 umfasst, wird als Ganzes in die Gehäusewanne 3 mit der darin einliegenden Auslösemechanik 30 eingelegt. Anschließend muss nur noch der Gehäusedeckel 4 auf die Gehäusewanne 3 aufgeklipst werden, um die - somit insgesamt sehr unaufwändige - Montage abzuschließen.The printed circuit board 20 is assembled outside the housing 2 with the contact rails 21, 22, 23 of the contact spring 41 and the electromagnet 24 to form a firmly connected preassembled module. This pre-assembly, which includes all current or live parts of the circuit breaker 1 is inserted as a whole into the housing pan 3 with the tripping mechanism 30 inserted therein. Subsequently, only the housing cover 4 has to be clipped onto the housing trough 3 in order to complete the installation, which is therefore very unostentatious overall.
Die Auslöseelektronik 25 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest im Wesentlichen durch einen MikroController gebildet. In dem MikroController ist ein in Fig. 6 näher dargestelltes Steuerprogramm 100 softwaretechnisch implementiert, das ein im Folgenden näher beschriebenes Verfahren zur Auslösung des Schutzschalters 1 im Kurzschluss- oder Überlastfall automatisiert durchführt.The triggering electronics 25 is formed in the illustrated embodiment, at least substantially by a microcontroller. In the microcontroller, a control program 100 shown in greater detail in FIG. 6 is implemented by software, which automatically carries out a method described in more detail below for triggering the circuit breaker 1 in the event of a short circuit or overload.
Das Steuerprogramm 100 umfasst zwei parallele Funktionsstränge, nämlich einen (Kurzschlussauslöse-)Strang 101 und einen (Überlastauslöse-)Strang 102, die von einem gemeinsamen Strang 103 abzweigen.The control program 100 comprises two parallel functional strands, namely a (short-circuit tripping) strand 101 and an (overload tripping) strand 102, which branch off from a common strand 103.
Im gemeinsamen Strang 103 wird zunächst mittels eines Stromsensors 104 als Eingangssignal die (Last-)Stromstärke i im Laststromkreis 26 bestimmt. Der (z.B. durch einen Shunt oder einen Stromwandler gebildete) Stromsensor 104 gibt als Ausgangssignal ein analoges Strommesssignal iA in Form einer stromstärkeproportionalen Spannung an einen nachgeschalteten Analog-Digital-(AD)-Wandler 106 aus. In dem AD-Wandler 106, der vorzugsweise ein integraler Bestandteil des MikroControllers ist, wird das analoge Strommesssignal JA im Takt einer (Mess- )Taktfrequenz fm mit einer Auflösung von nm Bit (hier nm = 8) in ein digitales Strommesssignal iD umgewandelt.In the common train 103, the (load) current i in the load circuit 26 is first determined by means of a current sensor 104 as an input signal. The current sensor 104 (formed, for example, by a shunt or a current transformer) outputs as an output signal an analog current measurement signal i A in the form of a current-proportional voltage to a downstream analog-digital (AD) converter 106. In the AD converter 106, which is preferably an integral part of the microcontroller, the analog current measurement signal is YES in time with a (measuring ) Clock frequency f m with a resolution of nm bit (here nm = 8) in a digital current measurement signal i D converted.
Das Strommesssignal I"D wird derart erzeugt, dassThe current measurement signal I " D is generated such that
- iD = 0 einer gemessenen Stromstärke i = -C- IN,- i D = 0 of a measured current i = -C- I N ,
- iD = 2nm 1 einer gemessenen Stromstärke i = 0, und- i D = 2 nm 1 of a measured current i = 0, and
- iD = 2nm einer gemessenen Stromstärke i = +C- IN entsprechen. Mit IN ist hierbei die Nennstromstärke des Schutzschalters 1 bezeichnet. Die Konstante C ist - je nach der Auslösesensitivität des Schutzschalters 1 - auf Werte zwischen etwa 3 und 20, z.B. auf C = 15, festgelegt.- i D = 2 nm of a measured current i = + C- I N correspond. With I N here the rated current of the circuit breaker 1 is designated. The constant C is - depending on the trigger sensitivity of the circuit breaker 1 - to values between about 3 and 20, for example set to C = 15.
Der Schutzschalter 1 ist vorrangig zur Überwachung eines Wechselstrom- Lastkreises vorgesehen. Die Messtaktfrequenz fm ist daher auf ein Vielfaches, insbesondere auf das 20-fache der üblichen Netzfrequenz fN (bei einer Netzfrequenz von fN = 50Hz also auf fm = IkHz) gesetzt. Der Schutzschalter 1 kann ungeachtet dessen aber zur Überwachung eines Gleichstrom-Lastkreises eingesetzt werden, ohne dass hierfür das Steuerprogramm 100 geändert werden müsste.The circuit breaker 1 is provided primarily for monitoring an AC load circuit. The measurement clock frequency f m is therefore set to a multiple, in particular to 20 times the usual mains frequency f N (that is to f m = IkHz at a network frequency of f N = 50 Hz). Nevertheless, the circuit breaker 1 can be used to monitor a DC load circuit without the control program 100 having to be changed for this purpose.
Von einem dem AD-Wandler 106 softwaretechnisch nachgeschalteten Betragsmodul 107 wird nach der Gleichung |
Figure imgf000017_0001
ein digitales (Strom-) Betragssignal iß erzeugt, das im Wesentlichen dem Absolutbetrag der Laststromstärke i entspricht. Das Betragssignal iB fließt als Eingangsgröße in die Teilstränge 101 und 102 des Steuerprogramms 100 ein.
From an AD converter 106 software downstream amount module 107 is according to the equation |
Figure imgf000017_0001
generates a digital (current) magnitude signal i β , which essentially corresponds to the absolute value of the load current intensity i. The magnitude signal i B flows as input into the sub-strings 101 and 102 of the control program 100.
In einer nullten Prüfstufe des Kurzschlussauslösestrangs 101 wird in einem Vergleichsmodul 11O0 mit der Taktfrequenz fm der in jedem Messtakt ermittelte Abtastwert des Betragssignals iB mit einem diskreten Kennlinienpunkt k0 einer hinterlegten (Kurzschlussauslöse-)Kennlinie K (Fig. 9) verglichen. Das Vergleichsmodul 11O0 bleibt inaktiv, solange der Abtastwert des Betragssignals iB den Kennlinienpunkt ko nicht überschreitet (iB < k0). Ansonsten (iB > k0) gibt das Vergleichsmodul 11Oo ein Auslösesignal A aus, aufgrund dessen die Bestromung des Elektromagneten 24 unterbrochen, und der Schutzschalter 1 somit ausgelöst wird. Das Strommesssignal iD, bzw. das Betragssignal iB enthält somit digitale Abtastwerte der Stromstärke i zu diskreten, jeweils mit zeitlichem Abstand von fm "1 aufeinander folgenden Abtastzeitpunkten.In a zeroth test stage of the short-circuit release line 101, the comparison in a module 11O 0 with the clock frequency f m of each measured measure sample of the magnitude signal i B with a discrete characteristic point k 0 a stored (short-circuit tripping) characteristic K (Fig. 9). The comparison module 11O 0 remains inactive as long as the sample of the magnitude signal i B does not exceed the characteristic point ko (i B <k 0 ). Otherwise (i B > k 0 ) is the comparison module 11Oo a trigger signal A, due to which the energization of the electromagnet 24 is interrupted, and the circuit breaker 1 is thus triggered. The current measurement signal i D , or the magnitude signal i B thus contains digital samples of the current i to discrete, each with a time interval of f m "1 consecutive sampling times.
Der Kennlinienpunkt ko gibt die sogenannte Sofort-Auslöseschwelle wieder. Der Wert des Kennlinienpunkts ko ist ein Maß für die im Mittel über eine Haltezeit tH (Fig. 9) maximal zulässige Überstromstärke. Die Haltezeit t» entspricht hierbei der einfachen inversen Taktfrequenz fm bzw. der einfachen (Mess-)Taktzeit tm (Fig. 7) (tH = tm = fm "1; hier tH = 0,001s). Ein einzelner Messwert des Betragssignals iß, der den Kennlinienpunkt ko überschreitet, reicht also aus, um den Schutzschalter 1 auszulösen.The characteristic point ko represents the so-called instantaneous triggering threshold. The value of the characteristic point ko is a measure of the maximum permissible overcurrent intensity on average over a holding time t H (FIG. The hold time t »corresponds to the simple inverse clock frequency f m or the simple (measurement) cycle time tm (FIG. 7) (tH = t m = f m " 1 , here t H = 0.001 s) Amount signal iß, which exceeds the characteristic point ko, so enough to trigger the circuit breaker 1.
In einer - nachgeschalteten - ersten Prüfstufe des Kurzschlussauslösestrangs 101 wird mit der Taktfrequenz fm, d.h. in jedem Messtakt, der jeweils ermittelte Abtastwert des Strombetrags iB in einen ersten (First-ln-First-Out-)Speicher 113-ι mit einer Anzahl von (hier beispielhaft: zwei) Speicherplätzen geschrieben.In a - subsequent - first test stage of Kurzschlussauslösestrangs 101 is at the clock frequency f m , ie in each measuring cycle, the respectively determined sample of the current amount i B in a first (First-ln-First-Out) memory 113-ι with a number written by (here exemplary: two) memory locations.
Stets nach einer der Speicherplatzanzahl entsprechenden Anzahl von Messtakten - angedeutet durch die Uhrsymbole 115 - bildet ein Summenmodul 12O1 einen gerundeten Mittelwert JMI aus den im Speicher 11S1 gespeicherten Abtastwerten des Betragssignals iB- Bei zwei Speicherplätzen wird der Mittelwert iMi somit mit der halben Taktfrequenz fm / 2 = 500Hz gebildet. Ein in dem Speicher 113i abgelegter Abtastwert des Betragssignals is wird hierdurch stets nur einmal in der Mittelwertbildung berücksichtigt. Anschaulich gesprochen wird der Speicher 113i immer nur dann ausgewertet, wenn er vollständig mit neuen Abtastwerten des Betragssignals iB aufgefüllt ist.Always after one of the number of storage spaces corresponding number of measuring cycles - indicated by the clock symbols 115 - forms a sum module 12O 1 a rounded average JM I from the stored in the memory 11S 1 samples of the magnitude signal i B - In two memory locations of the mean value i M i is thus the half clock frequency f m / 2 = 500Hz formed. A stored in the memory 113i sample of the magnitude signal is is thereby always considered only once in the averaging. Illustratively speaking, the memory 113i is always evaluated only when it is completely filled with new samples of the magnitude signal i B.
Der Mittelwert iMi wird als Prüfgröße einem nachfolgenden Vergleichsmodul 110i zugeführt. Das Vergleichsmodul 110i vergleicht diesen Mittelwert JMI wiederum mit einem zugeordneten Kennlinienpunkt ki der Kennlinie K und gibt - analog zu dem Vergleichsmodul 11O0 - das Auslösesignal A aus, wenn der Mittelwert iMi den Kennlinienpunkt ki wertemäßig überschreitet (iMi > k-i). Der Kennlinienpunkt ki ist ein Maß für die im Mittel maximal zulässige Überstromstärke über eine Haltezeit tHl die der doppelten Taktzeit tm entspricht (tH = 2 tm = 2 fm "1; hier tH = 0,002s).The mean value i M i is supplied as a test variable to a subsequent comparison module 110i. The comparison module 110i compares this mean value JM I again with an associated characteristic point ki of the characteristic curve K and outputs - analogous to the comparison module 11O 0 - the trigger signal A, if the mean value i M i exceeds the characteristic point ki in terms of value (i M i> ki) , The characteristic point ki is a measure of the mean maximum permissible overcurrent intensity over a holding time t Hl which corresponds to twice the cycle time t m (t H = 2 t m = 2 f m -1 , in this case t H = 0.002 s).
Der Mittelwert iMi der ersten Prüfstufe wird als Eingangsgröße einer zweiten Prüfstufe zugeführt, die analog zur ersten Prüfstufe einen weiteren (First-In-First-Out- )Speicher 1132, ein weiteres Summenmodul 12O2 und ein weiteres Vergleichsmodul 1102 aufweist. Auch hinsichtlich ihrer Funktion gleicht die zweite Prüfstufe der ersten Prüfstufe, mit dem Unterschied, dass dem Speicher 1132 anstelle des Betragssignals iß der Mittelwert ΪMI der ersten Prüfstufe zugeführt wird, und dass ein von dem Summenmodul 12O2 erzeugter Mittelwert iM2 mit der durch vier geteilten Taktfrequenz fm / 4 = 250 Hz erzeugt wird. Ein dem Vergleichsmodul 11O2 als Auslösekriterium zugeordneter Kennlinienpunkt k2 ist somit ein Maß für die maximale Überstromstärke im Mittel über eine Haltezeit XH, die der vierfachen Taktzeit tm entspricht (tH = 4 tm = 4-fm "1; hier tH = 0,004s).The mean value i M i of the first test stage is fed as an input quantity to a second test stage, which analogously to the first test stage has a further (first-in-first-out) memory 113 2 , a further sum module 12O 2 and a further comparison module 110 2 . Also in terms of their function, the second test stage is similar to the first test stage, with the difference that the mean value ΪM I of the first test stage is supplied to the memory 113 2 instead of the magnitude signal and the mean value i M2 generated by the summation module 12O 2 is the same as that four divided clock frequency f m / 4 = 250 Hz is generated. A characteristic point k 2 assigned to the comparison module 11O 2 as a triggering criterion is thus a measure of the maximum overcurrent intensity on average over a holding time X H which corresponds to the quadruple cycle time t m (t H = 4 t m = 4-f m -1 ; t H = 0.004s).
Der zweiten Prüfstufe sind kaskadenartig eine oder mehrere weitere Prüfstufen n- ter Ordnung (n = 3, 4, ...) nachgeschaltet, die hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion wiederum der zweiten Prüfstufe entsprechen, und jeweils durch einen (First-ln-First-Out-)Speicher 113n, ein weiteres Summenmodul 12On und ein weiteres Vergleichsmodul 11On gebildet sind. Der Speicher 113π erhält hierbei jeweils als Eingangssignal den Mittelwert iM(n-i) der direkt übergeordneten Prüfstufe (n-1 )- ter Ordnung. Von dem Summenmodul 12On der n-ten Prüfstufe wird stets mit der durch 2n geteilten Taktfrequenz fm / 2" ein Mittelwert iMn erzeugt, der in dem Vergleichsmodul 11On mit einem Kennlinienpunkt kn verglichen wird. Der Kennlinienpunkt kn ist ein Maß für die maximale Überstromstärke im Mittel über eine Haltezeit tH, die der 2n-fachen Taktzeit tm entspricht (tH = 2π-tm = 2nV).The second test stage is followed in cascade by one or more further test stages of the nth order (n = 3, 4,...), Which in turn correspond to the second test stage in terms of structure and function, and each by a (First-ln-First -Out-) memory 113 n , another sum module 12O n and another comparison module 11O n are formed. In this case, the memory 113 π receives in each case as an input signal the mean value i M (ni) of the directly superordinate test stage (n-1) th order. From the sum module 12O n of the n-th test stage, a mean value i Mn is always generated with the clock frequency f m / 2 "divided by 2 n , which is compared with a characteristic point k n in the comparison module 11O n . The characteristic point k n is a Measure for the maximum overcurrent on average over a holding time t H , which corresponds to 2 n times the clock time t m (t H = 2 π -t m = 2 n V).
Das Prinzip dieser kaskadenartigen Mittelwertbildung ist in Fig. 7 noch einmal verdeutlicht, in der der Verlauf des Betragssignals iß und der Mittelwerte JMI und JM2 gegen die Zeit t in übereinander angeordneten, synchronen Diagrammen gegenübergestellt ist. Dieser Darstellung ist direkt zu entnehmen, dass infolge der kaskadenartigen Mittelwertbildung die hierarchisch aufeinander folgenden Prüfstufen Veränderungen des Laststroms auf jeweiligen Zeitskalen prüfen, die exponentiell mit der Stufenordnung anwachsen. Ein Maß für die den Prüfstufen jeweils zugeordnete Zeitskala ist hierbei die Haltezeit tH der jeweiligen Prüfstufe:The principle of this cascaded averaging is again illustrated in Fig. 7, in which the course of the magnitude signal i SS and the average values JMI and JM 2 against time t disposed in superposed, is compared with synchronous diagrams. It can be deduced directly from this representation that, as a result of the cascade-like averaging, the hierarchically consecutive test stages Check changes in the load current on respective time scales, which increase exponentially with the order of steps. A measure of the time scales associated with the test stages in this case is the hold time t H of the respective test stage:
-1 n-te Prüfstufe (n = 0,1 ,2, ... ): tH = 2π • tm = 2π • fr -1 n-th test stage (n = 0,1, 2, ...): H t = 2 π • t m = 2 π • f r
Im Überlastauslösung-Teilstrang 102 wird gemäß Fig. 6 zunächst in einem Quadriermodul 130 aus dem Betragssignal iß als Maß für die Leistung des Laststroms ein Quadratsignal p mit p = iß iß berechnet.In the overload trigger sub-string 102, a square signal p with p = i ß i ß calculated as shown in FIG. 6 first in a squaring module 130 from the magnitude signal i ß as a measure of the power of the load current.
Dieses Quadratsignal p wird mit der Taktfrequenz fm in einen (First-In-First-Out-) Speicher 131 einer nullten Prüfstufe des Teilstrangs 102 eingelesen. Der Speicher 131 hat - wiederum für den Einsatz des Schutzschalters 1 zur Sicherung eines Wechselstrom-Lastkreises - eine Anzahl q von Speicherplätzen, die dem Verhältnis der Taktfrequenz fm zu der üblichen Netzfrequenz fN oder einem Vielfachen hiervon entspricht:This square signal p is read in with the clock frequency f m into a first-in-first-out memory 131 of a zeroth test stage of the sub-string 102. The memory 131 has - again for the use of the circuit breaker 1 for securing an AC load circuit - a number q of memory locations, which corresponds to the ratio of the clock frequency f m to the usual network frequency f N or a multiple thereof:
q = j f m / f N mit j = 1 ,2,3,...q = j fm / f N with j = 1, 2,3, ...
Bei einer Netzfrequenz von fN = 50 Hz und einer Taktfrequenz von f m = 1 kHz hat der Speicher 131 insbesondere q = 20 Speicherplätze.With a network frequency of f N = 50 Hz and a clock frequency of f m = 1 kHz, the memory 131 has in particular q = 20 memory locations.
Ein dem Speicher 131 nachgeschaltetes Summenmodul 132 berechnet stets nach einer der Anzahl q entsprechenden Anzahl von Messtakten - angedeutet durch die Uhrsymbole 133 - einen gerundeten Mittelwert pMo aus den im Speicher 131 gespeicherten Werten des Quadratsignals p. Der Mittelwert pMo stellt hierbei ein Maß für die Effektivleistung des Laststroms dar. Bei zwanzig Speicherplätzen des Speichers 131 wird der Mittelwert PMO mit einer der Netzfrequenz fN entsprechenden Taktfrequenz fe= fN = 1/20 fm gebildet. Ein in dem Speicher 131 abgelegter Wert des Quadratsignals p wird hierdurch wiederum stets nur einmal in der Mittelwertbildung berücksichtigt. Der Mittelwert PMO wird in einem nachgeschalteten Vergleichsmodul 136o mit einem Kennlinienpunkt Uo einer hinterlegten (Überlastauslöse-)Kennlinie U (Fig. 9) verglichen, wobei das Vergleichsmodul 136o das Auslösesignal A erzeugt, wenn der Mittelwert PMO das Quadrat des Kennlinienpunkts Uo wertemäßig überschreitet (PMO > U0 2). Das Quadrat Uo2 des Kennlinienpunkts U0 stellt somit ein Maß für die maximal zulässige Effektivleistung des Laststroms dar.A sum module 132 connected downstream of the memory 131 always calculates a rounded mean value p M o from the values of the square signal p stored in the memory 131 according to a number of measuring clock pulses corresponding to the number q-indicated by the clock symbols 133. The mean value p M o hereby represents a measure of the effective power of the load current. At twenty memory locations of the memory 131, the mean value P MO is formed with a clock frequency f e = f N = 1/20 f m corresponding to the line frequency f N. A value of the square signal p stored in the memory 131 is thereby always taken into account only once in the averaging. The mean value PMO is compared in a downstream comparison module 136o with a characteristic point Uo of a stored (overload tripping) characteristic U (FIG. 9), the comparison module 136o generating the tripping signal A when the mean value PMO exceeds the square of the characteristic point Uo in terms of value (PM O > U 0 2 ). The square Uo 2 of the characteristic point U 0 thus represents a measure of the maximum permissible effective power of the load current.
Analog zum Teilstrang 101 sind auch im Teilstrang 102 hierarchisch nachgeschaltete Prüfstufen vorgesehen, die hinsichtlich Aufbau und Funktion den entsprechenden Prüfstufen des Teilstrangs 101 entsprechen. Jede dieser Prüfstufen um- fasstAnalogously to sub-string 101, hierarchically downstream test stages are also provided in sub-string 102, which correspond in terms of design and function to the corresponding test stages of sub-string 101. Each of these test stages comprises
- einen (First-In-First-Out-) Speicher 138n mit zwei Speicherplätzen, dem der Mittelwert PM(Π-I ) der jeweils übergeordneten Prüfstufe als Eingangsgröße zugeführt wird,a first-in-first-out memory 138 n with two memory locations, to which the mean value P M (Π - I) of the respectively higher-level test stage is supplied as an input variable,
- ein Summenmodul 14On, das mit 1/2π-facher Taktfrequenz 1/2π fe einen Mittelwert P der in dem Speicher 138n enthalten Werte berechnet, unda sum module 14O n , which calculates with 1/2 π- fold clock frequency 1/2 π f e a mean value P MΠ of the values contained in the memory 138 n , and
- ein Vergleichsmodul 136n, das diesen Mittelwert PMΠ mit dem Quadrat Un 2 eines zugeordneten Kennlinienpunkts Un vergleicht und im Fall P > Un 2 das Auslösesignal A erzeugt.a comparison module 136 n , which compares this mean value PM Π with the square U n 2 of an associated characteristic point U n and generates the triggering signal A in the case P > U n 2 .
Die Zählvariable n = 1 ,2,3,... bezeichnet hierbei wiederum die hierarchische Ordnung der jeweiligen Prüfstufe.The counting variable n = 1, 2, 3,... In this case again denotes the hierarchical order of the respective checking stage.
In beispielhafter Ausführung des Steuerprogramms 1 hat der Teilstrang 101 fünf Prüfstufen (n = 0,1 ,... ,4), während der Teilstrang 102 dreizehn Prüfstufen (n = 0,1 ,... , 12) aufweist.In exemplary embodiment of the control program 1, the sub-string 101 has five test stages (n = 0,1, ..., 4), while the sub-string 102 has thirteen test stages (n = 0,1, ..., 12).
In Fig. 8 ist analog zu Fig. 7 der zeitliche Verlauf des Quadratsignals p und der Mittelwerte PMO und pMi in Gegenüberstellung dargestellt. Aus dieser Darstellung ist entnehmbar, dass die Prüfstufen des zweiten Teilstrangs 102 Veränderungen der Leistung des Laststroms - mit Ausnahme der nullten Prüfstufe - wiederum auf exponentiell mit der Stufenordnung anwachsenden Zeitskalen prüfen: n-te Prüfstufe (n = 1 ,2, ... ): tH = 2n • fe ~1 In FIG. 8, the waveform of the squared signal p and the mean values of PM is O and p M i shown in comparison analogous to Fig. 7. It can be deduced from this representation that the test stages of the second sub-string 102 again check changes in the power of the load current-with the exception of the zeroth test stage-to exponential times with the step order: nth test stage (n = 1, 2, ...): t H = 2 n • f e ~ 1
Bei den Modulen 107, 11On (n = 0,1 ,2, ...), 12On (n = 1 ,2,...),130, 132, 136n (n = 0,1 ,2, ...), und 14On (n = 1 ,2, ...) handelt es sich um Software-Bausteine des Steuerprogramms 100. Bei den (First-ln-First-Out-)Speichern 113n (n = 1 ,2,...), 131 und 138n (n = 1 ,2,...) handelt es sich vorzugsweise um softwaretechnisch allozierte (d.h. reservierte) Bereich eines gemeinsamen Arbeitsspeichers des das Steuerprogramm 100 ausführenden MikroControllers.In the modules 107, 11O n (n = 0,1, 2, ...), 12O n (n = 1, 2, ...), 130, 132, 136 n (n = 0,1, 2, ...), and 14O n (n = 1, 2, ...) are software components of the control program 100. In the (first-in-first-out) memories 113 n (n = 1, 2, ...), 131 and 138 n (n = 1, 2,...) Are preferably software-allocated (ie reserved) areas of a common main memory of the microcontroller executing the control program 100.
Die Kennlinien K und U sind in Fig. 9 in einem doppeltlogarithmischen-Diagramm gegen die Haltezeit tH (hier aufgetragen auf der Ordinaten) dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms ist die Stromstärke i prozentual zur Nennstromstärke IN des Schutzschalters 1 aufgetragen.The characteristic curves K and U are shown in FIG. 9 in a log-log plot versus the hold time t H (plotted here on the ordinate). On the abscissa of the diagram, the current i is plotted as a percentage of the nominal current intensity I N of the circuit breaker 1.
Entsprechend der jeweiligen Anzahl von Prüfstufen umfasst die Kennlinie K vier Kennlinienpunkte ko, ki,... , Ic4, während die Kennlinie U aus dreizehn Kennlinienpunkten U0, U-I,... , U12 gebildet ist. Aus Fig. 9 wird deutlich, dass die Kennlinien K und U ein Haltezeitintervall von 10'3s < \» ≤ 102s überlappfrei abdecken. Die Kennlinie K bestimmt hierbei das Auslöseverhalten des Schutzschalters 1 auf Zeitskalen unterhalb der inversen Netzfrequenz (fo <
Figure imgf000022_0001
= 20ms), während die Kennlinie U das Auslöseverhalten des Schutzschalters 1 auf Zeitskalen oberhalb der inversen Netzfrequenz (tH > fig"1 = 20ms) bestimmt.
Corresponding to the respective number of test stages, the characteristic curve K comprises four characteristic curve points ko, ki,..., Ic 4 , while the characteristic curve U is formed of thirteen characteristic points U 0 , UI,..., U1 2 . From FIG. 9 it becomes clear that the characteristic curves K and U cover a holding time interval of 10 '3 s <\ »≤ 10 2 s without overlap. The characteristic K determines the tripping behavior of the circuit breaker 1 on time scales below the inverse mains frequency (fo <
Figure imgf000022_0001
= 20ms), while the characteristic curve U determines the tripping behavior of the circuit breaker 1 on time scales above the inverse mains frequency (t H > fig "1 = 20 ms).
Die Stromwerte (Auslösewerte) der Kennlinienpunkte kn und Un können - abweichend von dem in Fig. 9 gezeigten Beispiel - frei gewählt werden. Zweckmäßigerweise werden die Kennlinienpunkte kn und Un aber derart gewählt, dass die Kennlinien K und U jeweils streng monoton fallen, so dass die Haltezeit tH stets umso kürzer ist, je höher der Stromwert des jeweiligen Kennlinienpunktes kn bzw. Un ist.The current values (tripping values) of the characteristic points k n and U n can be chosen freely, in a departure from the example shown in FIG. 9. The characteristic points k n and U n are expediently selected such that the characteristic curves K and U each fall strictly monotonically, so that the holding time t H is always shorter, the higher the current value of the respective characteristic point k n or U n .
Auch die Anzahl der Kennlinienpunkte kn und Un kann grundsätzlich für jede der Kennlinien K und U frei gewählt werden. Die Anzahl der Prüfstufen der Teilzweige 101 und 102 ist hierbei stets an die Anzahl der Kennlinienpunkte kn und Un der jeweils zugeordneten Kennlinie K bzw. U anzupassen, wobei jeder Kennlinienpunkt kn oder Un hinsichtlich der ihm zugeordneten Haltezeit tπ einer Prüfstufe des Teilstrangs 101 bzw. 102 entspricht. Alternativ ist aber auch denkbar,The number of characteristic points k n and U n can basically be freely selected for each of the characteristic curves K and U. The number of test stages of sub-branches 101 and 102 is always equal to the number of characteristic points k n and U n of each associated characteristic curve k n or U n with respect to the associated holding time tπ a test stage of the sub-string 101 and 102, respectively. Alternatively, it is also conceivable
- innerhalb eines Teilstrangs 101 oder 102 mehr Prüfstufen vorzusehen als die zugehörige Kennlinie Kennlinienpunkte kn oder Un hat und/oderto provide more test stages within a sub-string 101 or 102 than the associated characteristic curve characteristic points k n or U n and / or
- die Kennlinienpunkte kn und/oder un zumindest zum Teil derart zu wählen, dass die diesen Kennlinienpunkten kn bzw. Un zugeordnete Haltezeit tH nicht mit der einer Prüfstufe zugeordneten Haltezeit tπ übereinstimmt.to select the characteristic points k n and / or u n at least in part in such a way that the holding time t H associated with these characteristic points k n or U n does not coincide with the holding time tπ assigned to a test stage.
In diesen Fällen werden den Prüfstufen anstelle der Kennlinienpunkte kn bzw. Un Schwellwerte zugeführt, die durch Interpolation oder Extrapolation nach Maßgabe der den Prüfstufen zugeordneten Haltezeiten tn aus den Kennlinienpunkten kn bzw. Un abgeleitet werden.In these cases, instead of the characteristic points k n or U n, threshold values are fed to the test stages which are derived from the characteristic points k n or U n by interpolation or extrapolation in accordance with the holding times tn assigned to the test stages.
Auch die exponentielle Zunahme der Haltezeit U mit steigender Stufenordnung n kann - in alternativer Ausführung der Erfindung - variiert werden, indem die innerhalb desselben Teilstrangs 101 oder 102 aufeinanderfolgenden Speicher 113n (n = 1 ,2, ...) bzw. 138n (n = 1 ,2,...) mit variierender Anzahl von Speicherplätzen definiert werden.Also, the exponential increase of the hold time U with increasing level order n can - in an alternative embodiment of the invention - be varied by the successive within the same sub-string 101 or 102 memory 113 n (n = 1, 2, ...) and 138 n ( n = 1, 2, ...) are defined with a varying number of memory locations.
Der Schutzschalter 1 hat baubedingt eine passive Unterspannungsauslöse- funktion, zumal die Auslösemechanik 30 zwangsweise dann auslöst, wenn die zwischen den Kontaktschienen 21 und 22 anliegende Spannung nicht mehr ausreicht, um den Elektromagneten 24 und/oder die Auslöseelektronik 25 hinreichend mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese Funktion kann insbesondere genutzt werden, um den Schutzschalter 1 ferngesteuert mittels eines der Kontaktschiene 22 nachgeschalteten Schalters auszulösen.The circuit breaker 1 has a construction due to a passive undervoltage tripping function, especially since the triggering mechanism 30 forcibly triggers when the voltage applied between the contact rails 21 and 22 voltage is no longer sufficient to supply the electromagnet 24 and / or the triggering electronics 25 sufficiently with electrical energy. This function can be used in particular to remotely trigger the circuit breaker 1 by means of a contact rail 22 downstream switch.
Der Schutzschalter 1 hat darüber hinaus optional eine aktive Überspannungsaus- lösefunktion, die insbesondere softwaretechnisch in einem (nicht dargestellten) Unterspannungsauslöseblock des Steuerprogramms 100 implementiert ist. Im Rahmen dieser aktiven Unterspannungsauslösung erfasst das Steuerprogramm 100 fortlaufend und parallel zu dem Ablauf des in Fig. 6 dargestellten Programm- teils den Betrag (im Wechselspannungsfall den Effektivbetrag) der zwischen den Kontaktschienen 21 und 22 anliegenden elektrischen Spannung und vergleicht den erfassten Spannungsbetrag mit einem hinterlegten Schwellwert. Das Steuerprogramm 100 erzeugt hierbei das Auslösesignal A, wenn der erfasste Spannungsbetrag den Schwellwert unterschreitet. In addition, the circuit breaker 1 optionally has an active overvoltage triggering function, which is implemented, in particular by software engineering, in an undervoltage triggering block (not shown) of the control program 100. As part of this active undervoltage release, the control program 100 detects continuously and in parallel with the sequence of the program shown in FIG. partly the amount (in the AC voltage case the effective amount) of the applied voltage between the contact rails 21 and 22 and compares the detected voltage amount with a stored threshold value. In this case, the control program 100 generates the trigger signal A when the detected voltage amount falls below the threshold value.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Schutzschalter1 circuit breaker
2 Gehäuse2 housings
3 Gehäusewanne3 housing tray
4 Gehäusedeckel4 housing cover
5 Frontseite5 front side
6 Schaltwippe6 rocker switch
7 Rückwand7 rear wall
8, 9 Seitenwand8, 9 side wall
10 Gehäuseboden10 caseback
11 Platte11 plate
12 Rastöse12 detent lugs
13 Rastnase13 latch
14 Zapfen14 cones
15 Schlitz15 slot
20 Leiterplatte20 circuit board
21 , 22 , 23 Kontaktschiene21, 22, 23 contact rail
24 Elektromagnet24 electromagnet
25 Auslöseelektronik25 trip electronics
26 Laststromkreis26 load circuit
30 Auslösemechanik30 release mechanism
31 Schalthebel31 shifter
32 Auslösehebel32 release lever
33 Stößel33 pestles
34, 35 , 36 Freiende34, 35, 36 Free
37 Schlitz37 slot
40 Festende40 festivals
41 Kontaktfeder41 contact spring
42 Kontaktfläche42 contact surface
44 Festende44 Festende
45 Kontaktfläche45 contact area
46 Schaltkontakt Längsachse46 switching contact longitudinal axis
Spulenkörperbobbins
Magnetkernmagnetic core
Lötkontaktsolder contact
Langschenkellong legs
KurzschenkelKurzschenkel
Knieknee
Zapfenspigot
FilmschamierFilm hinge
Zapfenspigot
LanglochfϋhrungLanglochfϋhrung
Körperbody
Schaftshaft
Durchführungexecution
Zapfenspigot
Zapfenspigot
Führungguide
Haltenaseretaining nose
Halteschulterretaining shoulder
Wirkflächeeffective area
Magnetjochyoke
RastwinkelRest angle
Druckfedercompression spring
SchenkelfederLeg spring
Stößelendeplunger end
SchenkelfederLeg spring
Randedge
Randedge
Steuerprogrammcontrol program
Strangstrand
Strangstrand
Strang 104 Stromsensorstrand 104 current sensor
106 AD-Wandler106 AD converter
107 Betragsmodul107 Amount module
11On Vergleichsmodul (n = 0,1,2,...)11O n comparison module (n = 0,1,2, ...)
113n Speicher (n = 1,2,...)113 n memory (n = 1,2, ...)
115 Uhrsymbol115 clock icon
12On Summenmodul (n = 1,2,...)12O n sum module (n = 1,2, ...)
130 Quadriermodul130 squaring module
131 Speicher131 memory
132 Summenmodul132 summation module
133 Uhrsymbol133 clock icon
136n Vergleichsmodul (n = 0, 1 ,2, ... )136 n comparison module (n = 0, 1, 2, ...)
138n Speicher (n = 1,2,...)138 n memory (n = 1,2, ...)
14On Summenmodul (n = 1 ,2, ... )14O n sum module (n = 1, 2, ...)
A Auslosesignal fe Taktfrequenz fm Taktfrequenz fN Netzfrequenz i (Last-)StromstärkeA Release signal fe Clock frequency fm Clock frequency f N Line frequency i (load) current
JA Strommesssignal iß (Strom-)BetragssignalYES current measurement signal eats (current) magnitude signal
ID StrommesssignalID current measurement signal
Mittelwert(n = 1,2,...)Mean value (n = 1,2, ...)
K (Kurzschlussauslöse-)Kennlinie kn Kennlinienpunkt (n = 0,1,2,...)K (short-circuit tripping) characteristic curve characteristic point (n = 0,1,2, ...)
P QuadratsignalP square signal
PMn Mittelwert(n = 0,1,...) q Anzahl t Zeit tH Haltezeit tm TaktzeitPMn mean value (n = 0,1, ...) q number t time t H hold time tm cycle time
U (Überlastauslöse-)Kennlinie Un Kennlinienpunkt (n = 0,1 ,2...) X Querrichtung Y Längsrichtung U (overload tripping) characteristic U n characteristic point (n = 0,1, 2 ...) X transverse direction Y longitudinal direction

Claims

Ansprüche claims
1. Steuerverfahren zur Auslösung eines elektronischen Schutzschalters (1 ),1. Control method for triggering an electronic circuit breaker (1),
- bei welchem Abtastwerte (iß, p) eines auslöserelevanten Eingangssignals (i) oder einer hieraus abgeleiteten Größe mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz (fm) fortlaufend erfasst werden,- in which samples (i ß, p) a trigger relevant input signal (i) or a variable derived therefrom with a predetermined sampling frequency (f m) are recorded continuously,
- bei welchen über eine Anzahl von erfassten Abtastwerten (iß, p) ein erster Summenwert (iMi , PMO) gebildet wird,in which a first sum value (i M i, PM O ) is formed over a number of acquired samples (i β , p),
- bei welchem ein Auslösesignal (A) erzeugt wird, wenn der erste Summenwert (iMi, PMO) ein vorgegebenes erstes Auslösekriterium erfüllt,in which a trigger signal (A) is generated when the first sum value (i M i, PM O ) fulfills a predetermined first triggering criterion,
- bei welchem über eine Anzahl von ermittelten ersten Summenwerten (iMi, PMO) ein zweiter Summenwert (iM2> PMI) gebildet wird, undin which a second sum value (iM2 > PMI) is formed via a number of determined first sum values (i M i, PM O ), and
- bei welchem das Auslösesignal (A) auch dann erzeugt wird, wenn der zweite Summenwert (iM2, PMI) ein vorgegebenes zweites Auslösekriterium erfüllt.- Wherein the trigger signal (A) is also generated when the second sum value (i M2 , P MI ) meets a predetermined second triggering criterion.
2. Steuerverfahren nach Anspruch 1 , bei welchem zwei aufeinanderfolgende erste Summenwerte (JMI, PMO) aus überlappfreien Abfolgen der Abtastwerte (iß, p) bestimmt werden.2. Control method according to claim 1, wherein two successive first sum values (JMI, PMO) are determined from overlapping sequences of the samples ( , p).
3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem zwei aufeinanderfolgende zweite Summenwerte (iM2, PMI) aus überlappfreien Abfolgen der ersten Summenwerte (iMi, PMO) bestimmt werden.3. Control method according to claim 1 or 2, in which two consecutive second summation values (i M 2, PMI) are determined from overlap-free sequences of the first summation values (i M i, PM O ).
4. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem als Eingangssignal die Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1 ) fließenden Laststroms herangezogen wird. 4. Control method according to one of claims 1 to 3, wherein the current intensity (i) of the current flowing through the circuit breaker (1) load current is used as input signal.
5. Steuerverfahren nach Anspruch 4, bei welchem der erste Summenwert (iMi) aus einem Maß (iB) für den Absolutbetrag der Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1 ) fließenden Laststroms ermittelt wird.5. Control method according to claim 4, wherein the first sum value (i M i) is determined from a measure (i B ) for the absolute value of the current intensity (i) of the load current flowing through the circuit breaker (1).
6. Steuerverfahren nach Anspruch 4, bei welchem der erste Summenwert (PMO) aus einem Maß (p) für die quadrierte Stromstärke (i) des durch den Schutzschalter (1 ) fließenden Laststroms ermittelt wird.6. Control method according to claim 4, wherein the first sum value (PMO) is determined from a measure (p) for the squared current intensity (i) of the load current flowing through the circuit breaker (1).
7. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das Auslösesignal (A) auch dann erzeugt wird, wenn ein einzelner Abtastwert (iß) ein vorgegebenes Auslösekriterium erfüllt.7. Control method according to one of claims 1 to 6, wherein the trigger signal (A) is also generated when a single sample (i ß ) meets a predetermined triggering criterion.
8. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Abtastfrequenz (fm) als ganzzahliges Vielfaches einer Netzfrequenz (fw) eines zu überwachenden Wechselstroms gewählt wird.8. Control method according to one of claims 1 to 7, wherein the sampling frequency (f m ) is selected as an integer multiple of a mains frequency (fw) of an alternating current to be monitored.
9. Steuerverfahren nach Anspruch 8, bei welchem der erste Summenwert (PMO) über eine oder mehrere Vollperioden des zu überwachenden Wechselstroms gebildet wird.9. A control method according to claim 8, wherein the first sum value (PM O ) is formed over one or more full periods of the alternating current to be monitored.
10. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem der erste Summenwert (ΪMI, PMO) aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden Abtastwerten (iB, p) gebildet wird und/oder bei welchem der zweite Summenwert (iM2, PMO aus einer Anzahl von unmittelbar aufeinanderfolgenden ersten Summenwerten (iB, p) gebildet wird.10. Control method according to one of claims 1 to 9, wherein the first sum value (ΪM I , PMO) is formed from a number of immediately consecutive samples (i B , p) and / or wherein the second sum value (i M2 , P M O is formed from a number of immediately consecutive first summation values (i B , p).
11. Elektronischer Schutzschalter (1 )11. Electronic circuit breaker (1)
- mit einem isolierenden Gehäuse (2),with an insulating housing (2),
- mit einem Schaltkontakt (46) zum reversiblen Kontaktschluss eines zu überwachenden Laststromkreises (26), - mit einem Auslösemagnet (24), welcher über eine Auslösemechanik (30) auf den Schaltkontakt (46) wirkt, sowie- With a switching contact (46) for the reversible contact closure of a load circuit to be monitored (26), - With a release magnet (24) which acts on a trigger mechanism (30) on the switching contact (46), and
- mit einer Auslöseelektronik (25) zur Ansteuerung des Auslösemagneten (24), wobei die Auslöseelektronik (25) zur automatischen Durchführung des Steuerverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eingerichtet ist.- With a triggering electronics (25) for controlling the trigger magnet (24), wherein the triggering electronics (25) is arranged for automatically carrying out the control method according to one of claims 1 to 10.
12. Schutzschalter (1 ) nach Anspruch 11 , wobei die Auslöseelektronik (25) durch einen Mikrocontroller gebildet ist, in dem ein das Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführendes Steuerprogramm (100) softwaretechnisch implementiert ist. 12. Circuit breaker (1) according to claim 11, wherein the tripping electronics (25) is formed by a microcontroller in which a control method (100) implementing the control method according to one of claims 1 to 10 is implemented by software.
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