WO2020064852A1 - Schaltgerät zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers von einem energieversorgungsnetz sowie ein sicherheitsschaltsystem - Google Patents

Schaltgerät zum sicheren abschalten eines elektrischen verbrauchers von einem energieversorgungsnetz sowie ein sicherheitsschaltsystem Download PDF

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WO2020064852A1
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switching
switch
control unit
switching device
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Elmar Schaper
Bernd Schulz
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Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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    • Y04S20/20—End-user application control systems
    • Y04S20/222—Demand response systems, e.g. load shedding, peak shaving

Definitions

  • Switchgear for safely switching off an electrical consumer from a power supply network and a safety switching system
  • the invention relates to a switching device, in particular a motor switch or
  • Motor starters and a safety switching system for safely switching off an electrical consumer from a power supply network.
  • the storage capacitor is dimensioned so that if the supply voltage fails, the electromechanical switches and
  • Such a switching device is known for example from EP 2 898 521 A1 and is used to control the energy supply of a downstream electric motor.
  • the known switching device has a control unit, a supply connection, a power supply unit and a current path connected to a supply network, the first
  • the control unit supplies the switching signals for the switches, the control unit drawing the energy for the switching signals via the power pack. Furthermore, the switching device has an energy store with a measuring device connected to the control unit, wherein the control unit uses the measuring device to supply the switching device with energy via the supply connection can monitor.
  • the control unit is also designed such that when the energy supply monitored by the measuring device falls within a critical range, it switches the semiconductor switches and by means of the energy of the energy store
  • the present invention has for its object to provide a switching device and a safety switching system for safely switching off an electrical consumer from a power supply network, which can be manufactured more cost-effectively and operated in an energy-saving manner compared to the known switching devices.
  • a key concept of the invention can be seen in an expensive and complex measuring device, the measurement result of which is obtained from a control unit
  • a switching device for safely switching off an electrical consumer from a power supply network, which has the following features: a first connection device to which an energy supply network for
  • Provision of a supply voltage for an electrical consumer can be connected
  • Providing a supply voltage for the switching device is connectable, at least one current path, which is connected to the first and second connection device, the at least one current path a first electromechanical switch and a parallel connection of a second electromechanical switch with a semiconductor switch connected in series with the first electromechanical switch,
  • a power supply unit which is electrically connected to the third connection device, an energy store which is electrically connected to the third connection device in such a way that the energy store is connected to the third
  • Connection device can be charged supply voltage
  • a detector and signaling device which is designed to detect the discharge of the energy store and to supply a signal to the control unit which signals the discharge of the energy store to the control unit, the control unit being designed to respond to the message signal by means of those stored in the energy store Energy first to switch the semiconductor switch electrically conductive, then to open the second electromechanical switch, then to switch the semiconductor switch electrically non-conductive and then to open the first electromechanical switch.
  • Such a switching device can be operated in a more energy-saving manner than the switching device described in EP 2 898 521 A1.
  • control unit receives a binary signal from the detector signaling device, which indicates that the
  • Energy storage is discharged or is not discharged. A continuous monitoring of a supply voltage of the switching device by the control unit is no longer necessary.
  • Voltage limiting device connected, which is designed to the To limit the energy store applied voltage to a predetermined voltage value, wherein the energy store is discharged when a supply voltage applied to the third connection device falls below the predetermined voltage value applied to the energy store.
  • the predetermined voltage applied to the energy store is always lower than the supply voltage of the switching device applied to the third connection device.
  • the first connection device expediently has a ground connection and an operating potential connection. Furthermore, the
  • Voltage limiting device has a Zener diode and an electrical resistor, the Zener diode being connected in parallel with the energy store.
  • Anode connection of the Zener diode is with the ground connection and the
  • the Zener diode's cathode connector is connected to an electrical connector
  • the detector and signaling device has a coupling element which is connected to the energy store, an input of the control unit and an input of the power supply unit, the detector and signaling device delivering a binary signal.
  • the coupling element is expediently an optocoupler which has an optical transmitter connected between the energy store and the input of the power pack and an optical receiver connected to the input of the control unit.
  • the switching device can have a further current path connected to the first and second connection devices, which in turn has a first electromechanical switch and a parallel connection of a second connected in series with the first electromechanical switch Has electromechanical switch with a semiconductor switch.
  • the control unit is designed to output a switching signal for the first electromechanical switch, the second electromechanical switch and the semiconductor switch of the further current path, the control unit also being designed to respond to the signal from the detector and signaling device by means of those in the energy store stored energy with respect to the further current path first to switch the semiconductor switch electrically conductive, then to open the second electromechanical switch, then to switch the semiconductor switch electrically non-sliding and then to open the first electromechanical switch.
  • a safety switching system for safely switching off an electrical consumer from a power supply network, which has at least one switching device, as described above, an external supply source which can be connected to the third connection device of the switching device via an external switching device or can be separated from the third connection device of the switching device, having.
  • Anode connection is connected to the third connection device and its cathode connection is connected to the power supply unit of the respective switching device. This prevents the energy storage device of each switching device from being discharged in the direction of the supply source.
  • FIG 2 shows another exemplary safety switching system, which two
  • FIG. 1 shows an exemplary switching device 20 for safely switching off an electrical consumer 150 from a power supply network 140.
  • the switching device 20 is designed in particular as a motor switch.
  • the electrical consumer 150 can be an electric motor, in particular a three-phase motor.
  • the energy supply network 140 can be, for example, a three-phase power supply network.
  • the energy supply source 50 can have a
  • At least one current path 160 is connected to the first connection device 200 and to the second connection device 201, which has a first electromechanical switch 170 and a parallel or hybrid circuit 180 connected in series with the first electromechanical switch 170, which has a second electromechanical switch 182 and a semiconductor switch 181 has.
  • there is a second current path 161 between the first connection device 200 and to the second connection device 201 which has a first electromechanical switch 170 and a parallel or hybrid circuit 180 connected in series with the first electromechanical switch 170, which has a second electromechanical switch 182 and a semiconductor switch 181 has.
  • Connection device 200 and the second connection device 201 arranged, which is realized as a continuous line.
  • a third current path 162 can be provided, which, similar to the first current path, has a first electromechanical switch 171, which is connected in series with a parallel or hybrid circuit 190, which has a second electromechanical switch 192 and a semiconductor switch 191.
  • the switching device 20 has a power supply unit 120, which is electrically connected to the third connection device and is accommodated in the housing 30.
  • a decoupling diode 70 can be connected between the operating potential connection 60 of the third connection device and an input of the power supply 120
  • the power supply unit 120 can be a switching power supply unit which is designed to convert the supply voltage UB present at the third connection device 60, 61 to a device-internal direct voltage of, for example, 5 V.
  • the power supply 120 is electrically connected to a control unit 130, which can be designed as a microcontroller.
  • the control unit 130 is designed to output a switching signal for the first electromechanical switch 170, the second electromechanical switch 182 and the semiconductor switch 181. If the third current path 162 is also present, the control unit 130 is furthermore configured to in each case a switching signal for the first Output electromechanical switch 171, the second electromechanical switch 192 and the semiconductor switch 191.
  • the control unit 130 obtains the energy for generating the switching signals via the power supply unit 120. As shown schematically in FIG. 1, the output of the power supply unit 120 is connected via the control unit 130 to the ground connection 61 of the third connection device.
  • an energy storage device 80 is provided which is connected to the third
  • the switching device 20 also has a detector and signaling device 90, which is designed to detect and discharge the energy store 80 from being discharged
  • control unit 130 To supply the control unit 130 with a signal which signals the control unit 130 to discharge the energy store 80.
  • the control unit is designed to first switch the semiconductor switches 181 and 191 in the current paths 160 and 162 in an electrically conductive manner in response to the signal signal by means of the energy stored in the energy store 80, then the to open the respective second electromechanical switch 182 or 192, then the
  • a current limiting resistor 110 can be connected in series with the energy store 80, which has a connection to the cathode connection of FIG
  • Decoupling diode 70 and its second connection is connected to the energy store 80.
  • the energy store 80 is charged via the decoupling diode 70 and the current limiting resistor 110.
  • a voltage limiting device 100 can expediently be connected to the energy store 80 and is designed to limit the voltage applied to the energy store 80 to a predetermined voltage value.
  • the energy store 80 is discharged when it is on the third
  • the voltage limiting device is preferably a Zener diode 100 which is connected in parallel to the energy store 80, the anode connection of the Zener diode 100 being connected to the ground potential 61 and the cathode connection of the Zener diode 100 being connected to the common connection point of the energy store 80 and the current limiting resistor 110 is.
  • the Zener diode 100 limits the voltage at the energy store 80 to a predetermined value, for example to 19V. This ensures that even in the event of voltage fluctuations in the supply voltage UG applied to the third connection device 60, 61, the energy store 80 is not yet discharged. In this case, the energy store 80 is only discharged when the supply voltage UB at the third connection device falls below the predetermined voltage value of, for example, 19V. This happens in particular if the supply voltage UB fails or is switched off.
  • the detector and signaling device 90 can be designed as a coupling element which is connected to the energy store 80, the input of the power supply unit 120 and an input 131 of the control unit 130.
  • the output signal is the io
  • Detector and signaling device 90 preferably a binary signal, which signals that the energy store 80 is either discharged or not discharged.
  • the coupling element 90 can be an inductive or capacitive coupling element.
  • the coupling element 90 is one
  • Optocoupler which has an optical transmitter 91 connected between the energy store 80 and the input of the power supply 120, which can be designed, for example, as a laser or light-emitting diode.
  • the anode connection of the optical transmitter 91 is connected to a connection of the energy store 80 during the
  • the optocoupler 90 also has an optical receiver 92, which is connected to the input 131 of the control unit 130.
  • the optical receiver 92 is in particular designed as a phototransistor, the emitter and collector connection of which is connected to the input 131 of the control device 130.
  • Energy supply source 50, the switch device 40 and possibly also the emergency stop button 45 can be regarded as components of a safety switching system 10. If necessary, the energy supply network 140 and the motor 150 can also be included.
  • Supply voltage UB is supplied. Accordingly, the control unit 130 ensures that the electromechanical switches 170, 171, 182 and 192 are switched to be electrically conductive, while the semiconductor switches 181 and 191 are electrically non-conductive. In this state, the motor 150 is connected to the power supply network 140.
  • the energy store 80 is charged via the decoupling diode 70 and the current limiting resistor R1 in conjunction with the Zener diode 100 to such an extent that a predetermined voltage, for example of 19 V, is present at the energy store 80. Since the supply voltage UB on the third connection device 60, 61 during normal operation is greater than the predetermined voltage of applied to the charged energy store 80
  • the optical transmitter 91 blocks, so that the energy store 80 is not discharged.
  • the optical receiver 92 is also non-conductive.
  • This state corresponds to a logic zero, which signals the control unit 130 that the energy store is not being discharged.
  • the emergency stop switch 45 is actuated at the time t1 and the switches 41 and 42 are opened.
  • the supply voltage UB is disconnected from the connections 60 and 61 of the switching device, the optical transmitter 91, for example in the form of a light-emitting diode, is conductive and the optical transmitter 91, for example in the form of a light-emitting diode, is conductive and the optical transmitter 91, for example in the form of a light-emitting diode, is conductive and the
  • Discharge energy storage 80 This is because the potential at the cathode of the light-emitting diode suddenly falls below the potential at the anode connection of the light-emitting diode. From this moment on, the energy store 80 feeds the light-emitting diode 91, the power pack 120 and, via this, the control unit 130. The light emitted by the light-emitting diode 91 activates the optical receiver 92, which now becomes conductive. This status is reported as logic 1 to the control unit. In response to that of the optical
  • Logic 1 generated by receiver 92 of the detector and signaling device 90 knows the control unit 130 that the energy store 80 is now being discharged.
  • the control unit 130 interprets this state in such a way that the motor 150 must be switched off. Accordingly, the control unit 130 causes the semiconductor switches 181 and 191 to be switched to be electrically conductive first by means of the energy supplied by the energy store 80, then to open the electromechanical switches 182 and 192, then to switch the semiconductor switches 181 and 191 electrically non-conductive and then to switch the electromechanical switches 170 and 171 be opened. In this way, the motor 150 can also in the event of failure
  • Supply voltage UB can be safely switched off from the power supply network 140 in a manner that is gentle on the contacts.
  • FIG. 2 shows a further exemplary safety switching system 220 which, in addition to the energy supply source 50, the safety switch 40 and the emergency stop switch 45, for example a plurality of switching devices, for example the switching device 20 and another May have switching device 20 '.
  • the further switching device 20 ′ can preferably be constructed essentially identically to the switching device 20 and with the
  • Power supply network 140 and an electrical consumer.
  • Power supply source 50 connected.
  • each switching device 20 and 20 ' has the one in FIGS Figure 2 shown decoupling diode 70 and 70 '.
  • the decoupling diode 70 or 70 ' is expediently connected directly to the operating potential connection 60 or 60' of the third connection device of the respective switching device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät (20) zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (150) von einem Energieversorgungsnetz (140). Um ein sicheres Abschalten auch bei Ausfall einer Versorgungsspannung des Schaltgeräts (20) zu ermöglichen, weist das Schaltgerät (20) einen Energiespeicher (80) auf, der bei Ausfall der Versorgungsspannung einer Steuereinheit (130) die Energie zum Erzeugen von Schaltsignalen für einen ersten elektromechanischen Schalter (170), einen zweiten elektromechanischen Schalter (182) und einen Halbleiterschalter (181) bereitstellt. Um den Ausfall der Versorgungsspannung erkennen zu können, ist eine Detektor-Meldeeinrichtung (90) vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, dass Entladen des Energiespeichers (80) zu detektieren und ein Meldesignal der Steuereinheit (130) zuzuführen, welches der Steuereinheit (130) des Entladen des Energiespeichers (80) signalisiert. Unter Ansprechen auf das Meldesignal veranlasst die Steuereinheit (130), dass der elektrische Verbraucher (150) sicher und kontaktschonend vom Energieversorgungsnetz (140) abgeschaltet werden kann.

Description

Schaltgerät zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von einem Energieversorgungsnetz sowie ein Sicherheitsschaltsystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere einen Motorschalter bzw.
Motorstarter, sowie ein Sicherheitsschaltsystem zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von einem Energieversorgungsnetz.
Bei Schaltgeräten, die neben elektromechanischen Schaltern auch Hybridschalter verwenden, besteht die Gefahr, dass bei Ausfall der Versorgungsspannung des Schaltgeräts die Ausgangsstufe nicht mehr kontrolliert abgeschaltet werden kann. Deshalb werden in solchen Schaltgeräten Speicherkondensatoren im Eingangskreis der Geräteversorgung implementiert, die bei Ausfall der Versorgungsspannung die notwendige Energie für ein sequentielles Abschalten der elektromechanischen Schalter und der Hybridschalter zur Verfügung stellen. In der Regel ist dieser
Speicherkondensator so dimensioniert, dass bei Ausfall der Versorgungsspannung ein einmaliges sequentielles Abschalten der elektromechanischen Schalter und
Hybridschalter möglich ist.
Ein solches Schaltgerät ist beispielsweise aus der EP 2 898 521 Al bekannt und dient zum Steuern der Energiezufuhr eines nachgeschalteten Elektromotors. Das bekannte Schaltgerät weist eine Steuereinheit, einen Versorgungsanschluss, ein Netzteil und eine mit einem Versorgungsnetz verbundene Strombahn auf, die einen ersten
elektromechanischen Schalter und eine in Reihe zum ersten Schalter geschaltete Parallelschaltung eines zweiten elektromechanischen Schalters mit einem
Halbleiterschalter aufweist. Die Steuereinheit liefert die Schaltsignale für die Schalter, wobei die Steuereinheit über das Netzteil die Energie für die Schaltsignale bezieht. Ferner weist das Schaltgerät einen Energiespeicher mit einem mit der Steuereinheit verbundene Messvorrichtung auf, wobei die Steuereinheit mittels der Messvorrichtung die über den Versorgungsanschluss erfolgende Energieversorgung des Schaltgeräts überwachen kann. Die Steuereinheit ist ferner derart ausgebildet, dass sie, wenn die mittels der Messvorrichtung überwachte Energieversorgung in einen kritischen Bereich fällt, mittels der Energie des Energiespeichers die Halbleiterschalter und
elektromechanische Schalter und den Halbleiterschalter entsprechend ansteuem kann, um ein kontaktschonendes Abschalten eines elektrischen Verbrauchers vom
Versorgungsnetz zu ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät sowie ein Sicherheitsschaltsystem zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von einem Energieversorgungsnetz bereitzustellen, welche gegenüber den bekannten Schaltgeräten kostengünstiger hergestellt und energiesparender betrieben werden können.
Ein Kemgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, auf eine teure und aufwendige Messvorrichtung, deren Messergebnis von einer Steuereinheit
kontinuierlich ausgewertet werden muss, zu verzichten, so dass insbesondere eine energiesparende Lösung realisiert werden kann.
Das oben genannte technische Problem wird zum einen durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist ein Schaltgerät zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von einem Energieversorgungsnetz vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweist: eine erste Anschlusseinrichtung, an welche ein Energieversorgungsnetz zur
Bereitstellung einer Versorgungspannung für einen elektrischen Verbraucher anschließbar ist,
eine zweiten Anschlusseinrichtung, an welche ein elektrischer Verbraucher anschließbar ist,
eine dritte Anschlusseinrichtung, an die eine Energieversorgungsquelle zum
Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät anschließbar ist, wenigstens einen Strompfad, der an der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung angeschlossen ist, wobei der wenigstens eine Strompfad einen ersten elektromechanischen Schalter und eine in Reihe zum ersten elektromechanischen Schalter geschaltete Parallelschaltung eines zweiten elektromechanischen Schalters mit einem Halbleiterschalter aufweist,
ein Netzteil, welches elektrisch mit der dritten Anschlusseinrichtung verbunden ist, einen Energiespeicher, welcher elektrisch an der dritten Anschlusseinrichtung derart angeschlossen ist, dass der Energiespeicher mittels einer an die dritte
Anschlusseinrichtung anlegbaren Versorgungsspannung aufladbar ist,
eine Steuereinheit, die mit dem Netzteil elektrisch verbunden ist, wobei
die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, jeweils ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter, den zweiten elektromechanischen Schalter und den Halbleiterschalter auszugeben, wobei die Steuereinheit die Energie zur Erzeugung der Schaltsignale über das Netzteil bezieht,
eine Detektor- und Meldeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Entladen des Energiespeichers zu detektieren und ein Meldesignal der Steuereinheit zuzuführen, welches der Steuereinheit das Entladen des Energiespeichers signalisiert, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf das Meldesignal mittels der im Energiespeicher gespeicherten Energie zuerst den Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, anschließend den zweiten elektromechanischen Schalter zu öffnen, danach den Halbleiterschalter elektrisch nicht leitend zu schalten und anschließend den ersten elektromechanischen Schalter zu öffnen.
Ein derartiges Schaltgerät kann energiesparender als das in der EP 2 898 521 Al beschriebene Schaltgerät betrieben werden.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Steuereinheit von der Detektor- Meldeeinrichtung ein binäres Meldesignal erhält, welches anzeigt, dass der
Energiespeicher entladen wird oder eben nicht entladen wird. Ein kontinuierliches Überwachen einer Versorgungsspannung des Schaltgeräts durch die Steuereinheit ist nicht mehr erforderlich.
Zweckmäßigerweise ist mit dem Energiespeicher eine
Spannungsbegrenzungseinrichtung verbunden, die dazu ausgebildet ist, die am Energiespeicher anliegende Spannung auf einen vorbestimmten Spannungswert zu begrenzen, wobei eine Entladung des Energiespeichers erfolgt, wenn eine an der dritten Anschlusseinrichtung anliegende Versorgungsspannung den am Energiespeicher anliegenden vorbestimmten Spannungswert unterschreitet.
Angemerkt sei an dieser Stelle, dass im normalen Betriebsfall des Schaltgeräts die am Energiespeicher anliegende vorbestimmte Spannung immer kleiner ist als die an der dritten Anschlusseinrichtung angelegte Versorgungsspannung des Schaltgeräts.
Zweckmäßigerweise weist die erste Anschlusseinrichtung einen Masseanschluss und einen Betriebspotential- Anschluss auf. Ferner weist die
Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Zener-Diode und einen elektrischen Widerstand auf, wobei die Zener-Diode parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Der
Anodenanschluss der Zener-Diode ist mit dem Masseanschluss und der
Kathodenanschluss der Zener-Diode ist mit einem Anschluss des elektrischen
Widerstands verbunden, während der andere Anschluss des elektrischen Widerstands dem Betriebspotential- Anschluss zugeordnet ist.
Eine kostengünstige Lösung sieht vor, dass die Detektor- und Meldeeinrichtung ein Koppelelement aufweist, welches mit dem Energiespeicher, einem Eingang der Steuereinheit und einem Eingang des Netzteils verbunden ist, wobei die Detektor- und Meldeeinrichtung ein binäres Meldesignal liefert.,
Zweckmäßigerweise ist das Koppelelement ein Optokoppler, der einen zwischen den Energiespeicher und den Eingang des Netzteils geschalteten optischen Sender und einen mit dem Eingang der Steuereinheit verbundenen optischen Empfänger aufweist.
Um das Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von dem Energieversorgungsnetz zuverlässiger gestalten zu können, kann das Schaltgerät einen weiteren, mit der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung verbundenen Strompfad aufweisen, welcher wiederum einen ersten elektromechanischen Schalter und einen in Reihe zum ersten elektromechanischen Schalter geschaltete Parallelschaltung eines zweiten elektromechanischen Schalters mit einem Halbleiterschalter aufweist. In diesem Fall ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter, den zweiten elektromechanischen Schalter und den Halbleiterschalter des weiteren Strompfads auszugeben, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist unter Ansprechen auf das Meldesignal der Detektor- und Meldeeinrichtung mittels der im Energiespeicher gespeicherten Energie hinsichtlich des weiteren Strompfades zuerst den Halbleiterschalter elektrisch leitend zu schalten, anschließend den zweiten elektromechanischen Schalter zu öffnen, danach den Halbleiterschalter elektrisch nicht gleitend zu schalten und anschließend den ersten elektromechanischen Schalter zu öffnen.
Das oben genannte technische Problem wird zum anderen mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Demgemäß ist ein Sicherheitsschaltsystem zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers von einem Energieversorgungsnetz vorgesehen, welches wenigstens ein Schaltgerät, wie oben umschrieben, eine externe Versorgungsquelle, die über eine externe Schalteinrichtung an die dritte Anschlusseinrichtung des Schaltgeräts anschaltbar oder von der dritten Anschlusseinrichtung des Schaltgeräts trennbar ist, aufweist.
Eine zweckmäßige und flexible Weiterbildung sieht vor, mehrere Schaltgerät, wie zuvor beschrieben, über die externe Schalteinrichtung parallel an die Versorgungsquelle anzuschalten, wobei jedes Schaltgerät eine Entkopplungsdiode aufweist, deren
Anodenanschluss mit der dritten Anschlusseinrichtung und deren Kathodenanschluss mit dem Netzteil des jeweiligen Schaltgeräts verbunden ist. Hierdurch wird verhindert, dass der Energiespeicher eines jeden Schaltgeräts in Richtung Versorgungsquelle entladen werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein beispielhaftes Sicherheitsschaltsystem mit einem erfindungsgemäßen Schaltgerät, und
Figur 2 ein weiteres beispielhaftes Sicherheitsschaltsystem, welches zwei
erfindungsgemäße Schaltgeräte aufweist.
In Figur 1 ist ein beispielhaftes Schaltgerät 20 zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers 150 von einem Energieversorgungsnetz 140 dargestellt. Das Schaltgerät 20 ist insbesondere als Motorschalter ausgebildet. Bei dem elektrischen Verbraucher 150 kann es sich um einen elektrischen Motor, insbesondere einen Drehstrommotor handeln. Bei dem Energieversorgungsnetz 140 kann es sich beispielsweise um ein dreiphasiges Stromversorgungsnetz handeln.
Das Schaltgerät 20 ist vorzugsweise in einem Gehäuse 30 untergebracht und weist eine erste Anschlusseinrichtung 200 auf, an welche das Energieversorgungsnetz 140 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für den elektrischen Verbraucher 150 anschließbar ist. Handelt es sich um dreiphasiges Stromversorgungsnetz, weist die erste Anschlusseinrichtung 200 dementsprechend drei Anschlüsse auf. Weiterhin weist das Schaltgerät 20 eine zweite Anschlusseinrichtung 201 auf, an welche der elektrische Verbraucher 150 anschließbar ist. Handelt es sich um einen Drehstromverbraucher, so weist die zweite Anschlusseinrichtung drei Anschlüsse auf. Zudem weist das
Schaltgerät 20 eine dritte Anschlusseinrichtung mit einem Betriebspotential- Anschluss 60 und einem Masse- Anschluss 61 auf, an die eine Energieversorgungsquelle 50 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung UB für das Schaltgerät 20 anschließbar ist.
Wie in Figur 1 gezeigt, kann die Energieversorgungsquelle 50 über eine
Schalteinrichtung 40 an die dritte Anschlusseinrichtung 60, 61 an- oder von dieser getrennt werden. Die Schalteinrichtung 40 kann eine zweikanalige Schalteinrichtung sein, bei der ein Schalter 41 dem Betriebspotential- Anschluss 60 und ein weiterer Schalter 42 dem Masseanschluss 40 zugeordnet ist. Die Schalteinrichtung 40 kann beispielsweise über einen Not- Aus-Schalter 45 betätigt werden, um ein sicheres Abschalten des elektrischen Verbrauchers 150 zu ermöglichen. Die Energieversorgungsquelle 50 liefert beispielsweise eine Versorgungsgleichspannung UB von beispielsweise 24 V.
An der ersten Anschlusseinrichtung 200 und an der zweiten Anschlusseinrichtung 201 ist wenigstens ein Strompfad 160 angeschlossen, der einen ersten elektromechanischen Schalter 170 und eine in Reihe zum ersten elektromechanischen Schalter 170 geschaltete Parallel- oder Hybridschaltung 180 aufweist, welche einen zweiten elektromechanischen Schalter 182 und einen Halbleiterschalter 181 aufweist. Im dargestellten Beispiel ist ein zweiter Strompfad 161 zwischen der ersten
Anschlusseinrichtung 200 und der zweiten Anschlusseinrichtung 201 angeordnet, der als durchgehende Leitung realisiert ist. Zusätzlich kann ein dritter Strompfad 162 vorgesehen sein, der ähnlich dem ersten Strompfad einen ersten elektromechanischen Schalter 171 aufweist, der in Reihe mit einer Parallel- oder Hybridschaltung 190 geschaltet ist, welche einen zweiten elektromechanischen Schalter 192 und einen Halbleiterschalter 191 aufweist.
Ferner weist das Schaltgerät 20 ein Netzteil 120 auf, welches elektrisch mit der dritten Anschlusseinrichtung verbunden und im Gehäuse 30 untergebracht ist. Zwischen dem Betriebspotential- Anschluss 60 der dritten Anschlusseinrichtung und einem Eingang des Netzteils 120 kann eine Entkopplungsdiode 70 geschaltet sein, deren
Anodenanschluss mit dem Betriebspotential- Anschluss 60 verbunden ist, während der Anodenanschluss mit dem Eingang des Netzteils 120 verbunden ist. Bei dem Netzteil 120 kann es sich um ein Schaltnetzteil handeln, welches dazu ausgebildet ist, die an der dritten Anschlusseinrichtung 60, 61 anliegende Versorgungsspannung UB auf eine geräteinteme Gleichspannung von beispielsweise 5 V umzuwandeln. Das Netzteil 120 ist elektrisch mit einer Steuereinheit 130 verbunden, die als Mikrocontroller ausgebildet sein kann.
Die Steuereinheit 130 ist dazu ausgebildet ist, jeweils ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter 170, den zweiten elektromechanischen Schalter 182 und den Halbleiterschalter 181 auszugeben. Ist auch der dritte Strompfad 162 vorhanden, so ist die Steuereinheit 130 ferner dazu ausgebildet, jeweils ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter 171, den zweiten elektromechanischen Schalter 192 und den Halbleiterschalter 191 auszugeben. Die Energie zur Erzeugung der Schaltsignale bezieht die Steuereinheit 130 über das Netzteil 120. Wie in Figur 1 schematisch darstellt ist der Ausgang des Netzteils 120 über die Steuereinheit 130 mit dem Masseanschluss 61 der dritten Anschlusseinrichtung verbunden.
Um insbesondere bei Ausfall oder Abschalten der an der dritten Anschlusseinrichtung 60, 61 anliegenden Versorgungsspannung UB Schaltsignale für die
elektromechanischen Schalter und die Halbleiterschalter liefern zu können, ist ein Energiespeicher 80 geräteintem vorgesehen, welcher an der dritten
Anschlusseinrichtung 60, 61 derart angeschlossen ist, dass der Energiespeicher 80 mittels der an der dritten Anschlusseinrichtung 60, 61 anlegbaren Versorgungsspannung UB aufladbar ist. Auf diese wird sichergestellt, dass geräteintem auch bei Ausfall oder Abschalten der Versorgungsspannung UB noch ausreichend Energie zum Betreiben der Steuereinheit 130 über das Netzteil 120 zur Verfügung steht. Der Energiespeicher 80 ist vorzugsweise als Kondensator ausgebildet, der insbesondere derart dimensioniert ist, dass, wie später noch erläutert wird, die elektromechanischen Schalter 170, 171, 182, 192 und die Halbleiterschalter 181 und 191 sequentiell in definierter Weise abgeschaltet werden können, um ein kontaktschonendes, das heißt lichtbogenfreies Abschalten des elektrischen Verbrauchers 150 vom Energieversorgungsnetz 140 zu ermöglichen.
Das Schaltgerät 20 weist ferner eine Detektor- und Meldeeinrichtung 90 auf, die dazu ausgebildet ist, dass Entladen des Energiespeichers 80 zu detektieren und ein
Meldesignal der Steuereinheit 130 zuzuführen, welches der Steuereinheit 130 das Entladen des Energiespeichers 80 signalisiert. Um ein sicheres und lichtbogenfreies Abschalten des elektrischen Verbrauchers 150 zu ermöglichen, ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf das Meldesignal mittels der im Energiespeicher 80 gespeicherten Energie zuerst die Halbleiterschalter 181 und 191 in den Strompfaden 160 und 162 elektrisch leitend zu schalten, anschließend den jeweiligen zweiten elektromechanischen Schalter 182 beziehungsweise 192 zu öffnen, danach die
Halbleiterschalter 181 und 191 elektrisch nicht leitend zu schalten und anschließend den jeweiligen ersten elektromechanischen Schalter 170 beziehungsweise 171 zu öffnen. In Reihe mit dem Energiespeicher 80 kann ein Strombegrenzungswiderstand 110 geschaltet sein, der mit einem Anschluss mit dem Kathodenanschluss der
Entkopplungsdiode 70 und mit seinem zweiten Anschluss mit dem Energiespeicher 80 verbunden ist. Über die Entkopplungsdiode 70 und den Strombegrenzungswiderstand 110 erfolgt die Aufladung des Energiespeichers 80.
Zweckmäßigerweise kann eine Spannungsbegrenzungseinrichtung 100 mit dem Energiespeicher 80 verbunden sein, die dazu ausgebildet ist, die am Energiespeicher 80 anliegende Spannung auf einen vorbestimmten Spannungswert zu begrenzen. Eine Entladung des Energiespeichers 80 erfolgt dann, wenn die an der dritten
Anschlusseinrichtung 60, 61 anliegende Versorgungsspannung UB einen
Spannungswert hat, der den am Energiespeicher 80 anliegenden vorbestimmten Spannungswert unterschreitet.
Vorzugsweise ist die Spannungsbegrenzungseinrichtung eine Zener-Diode 100, die parallel zum Energiespeicher 80 angeschlossen ist, wobei der Anodenanschluss der Zener-Diode 100 mit dem Massepotential 61 und der Kathodenanschluss der Zener- Diode 100 mit dem gemeinsamen Anschlusspunkt des Energiespeichers 80 und des Strombegrenzungswiderstandes 110 verbunden ist. Die Zener-Diode 100 begrenzt die Spannung am Energiespeicher 80 auf einen vorbestimmten Wert, beispielsweise auf 19V. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch bei Spannungsschwankungen der an der dritten Anschlusseinrichtung 60, 61 anliegenden Versorgungsspannung UG zwischen der Energiespeicher 80 noch nicht entladen wird. Eine Entladung des Energiespeichers 80 erfolgt in diesem Fall erst dann, wenn die Versorgungsspannung UB an der dritten Anschlusseinrichtung den vorbestimmten Spannungswert von beispielsweise 19V unterschreitet. Das geschieht insbesondere bei einem Ausfall oder Abschaltung der Versorgungsspannung UB.
Die Detektor- und Meldeeinrichtung 90 kann als Koppelelement ausgebildet sein, welches mit dem Energiespeicher 80, dem Eingang des Netzteils 120 und einem Eingang 131 der Steuereinheit 130 verbunden ist. Als Ausgangssignal liefert die io
Detektor- und Meldeeinrichtung 90 vorzugsweise ein binäres Meldesignal, welches signalisiert, dass der Energiespeicher 80 entweder entladen oder nicht entladen wird.
Das Koppelelement 90 kann ein induktives oder auch kapazitives Koppelelement sein. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Koppelelement 90 um einen
Optokoppler, der einen zwischen den Energiespeicher 80 und den Eingang des Netzteils 120 geschalteten optischen Sender 91 aufweist, der beispielsweise als Laser- oder Leuchtdiode ausgebildet sein kann. Der Anodenanschluss des optischen Senders 91 ist mit einem Anschluss des Energiespeichers 80 verbunden, während der
Kathodenanschluss mit dem Eingang des Netzteils 120 verbunden und somit dem Betriebspotential- Anschluss 60 zugeordnet ist. Der Optokoppler 90 weist ferner einen optischen Empfänger 92 auf, der mit dem Eingang 131 der Steuereinheit 130 verbunden ist. Der optische Empfänger 92 ist insbesondere als Fototransistor ausgebildet, dessen Emitter- und Kollektoranschluss mit dem Eingang 131 der Steuereinrichtung 130 verbunden ist. Bereits an dieser Stelle sei erwähnt, dass das Schaltgerät 20, die
Energieversorgungsquelle 50, die Schaltereinrichtung 40 und gegebenenfalls auch der Not-Aus-Taster 45 als Bestandteile eines Sicherheitsschaltsystems 10 betrachtet werden können. Gegebenenfalls kann auch das Energieversorgungsnetz 140 und der Motor 150 noch dazu gezählt werden.
Die Funktionsweise des in Figur 1 gezeigten Schaltgeräts 20 wird nunmehr näher erläutert.
Zunächst sei angenommen, dass die Schalter 41 und 42 bis zu einem Zeitpunkt tl geschlossen sind und somit das Schaltgerät 20 ordnungsgemäß mit einer
Versorgungsspannung UB versorgt wird. Demzufolge sorgt die Steuereinheit 130 dafür, dass die elektromechanischen Schalter 170, 171, 182 und 192 elektrisch leitend geschaltet sind, während die Halbleiterschalter 181 und 191 elektrisch nichtleitend sind. In diesem Zustand ist der Motor 150 an das Energieversorgungsnetz 140 angeschaltet. Wie bereits zuvor erläutert, wird im normalen Betrieb der Energiespeicher 80 über die Entkopplungsdiode 70 und den Strombegrenzungswiderstand Rl in Verbindung mit der Zener-Diode 100 soweit aufgeladen, dass an dem Energiespeicher 80 eine vorbestimmte Spannung, beispielsweise von 19 V anliegt. Da die Versorgungsspannung UB an der dritten Anschlusseinrichtung 60, 61 im ordnungsgemäßen Betrieb größer als die am aufgeladenen Energiespeicher 80 anliegende vorbestimmte Spannung von
beispielsweise 19V ist, sperrt der optische Sender 91, so dass der Energiespeicher 80 nicht entladen wird. Demzufolge ist auch der optische Empfänger 92 nichtleitend.
Dieser Zustand entspricht einer logischen Null, welche der Steuereinheit 130 signalisiert, dass der Energiespeicher nicht entladen wird.
Nunmehr sei angenommen, dass zum Zeitpunkt tl der Not- Aus-Schalter 45 betätigt wird und die Schalter 41 und 42 geöffnet werden. Als Reaktion hierauf wird die Versorgungsspannung UB von den Anschlüssen 60 und 61 des Schaltgerät getrennt, der zum Beispiel als Leuchtdiode ausgebildete optische Sender 91 leitend und der
Energiespeicher 80 entladen. Denn das Potential an der Kathode der Leuchtdiode fällt nunmehr schlagartig unter das Potential am Anodenanschluss der Leuchtdiode. Ab diesem Moment speist der Energiespeicher 80 die Leuchtdiode 91, das Netzteil 120 und hierüber die Steuereinheit 130. Das von der Leuchtdiode 91 ausgestrahlte Licht aktiviert den optischen Empfänger 92, der nunmehr leitend wird. Dieser Zustand wird als logische 1 der Steuereinheit gemeldet. Unter Ansprechen auf die vom optischen
Empfänger 92 der Detektor- und Meldeeinrichtung 90 erzeugte logische 1 weiß die Steuereinheit 130, dass der Energiespeicher 80 nunmehr entladen wird. Diesen Zustand interpretiert die Steuereinheit 130 dahingehend, dass der Motor 150 abgeschaltet werden muss. Demzufolge veranlasst die Steuereinheit 130, dass mittels der vom Energiespeicher 80 gelieferten Energie zunächst die Halbleiterschalter 181 und 191 elektrisch leitend geschaltet, anschließend die elektromechanischen Schalter 182 und 192 geöffnet, danach die Halbleiterschalter 181 und 191 elektrisch nichtleitend geschaltet und anschließend die elektromechanischen Schalter 170 und 171 geöffnet werden. Auf diese Weise kann der Motor 150 auch bei Ausfall der
Versorgungsspannung UB kontaktschonend und sicher vom Energieversorgungsnetz 140 abgeschaltet werden.
Figur 2 zeigt ein weiteres beispielhaftes Sicherheitsschaltsystem 220, welches neben der Energieversorgungsquelle 50, den Sicherheitsschalter 40 und dem Not- Aus- Schalter 45 beispielsweise mehrere Schaltgeräte, beispielsweise das Schaltgerät 20 und ein weiteres Schaltgerät 20' aufweisen kann. Das weitre Schaltgerät 20' kann vorzugsweise im Wesentlichen identisch zum Schaltgerät 20 aufgebaut und mit dem
Energieversorgungsnetz 140 und einem elektrischen Verbraucher verbunden sein. Die Schaltgeräte 20 und 20' sind über die Schalteinrichtung 40 parallel an die
Energieversorgungsquelle 50 angeschlossen.
Um zu verhindern, dass in diesem Fall der Energiespeicher 80, der in den Schaltgeräten vorhanden ist, sich in unerwünschter Weise in eine parallele Last, sprich in das jeweils andere Schaltgerät entladen kann, weist jedes Schaltgerät 20 und 20' die in Figur 1 und in Figur 2 dargestellte Entkopplungsdiode 70 bzw. 70' auf. Die Entkopplungsdiode 70 bzw. 70' ist, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, zweckmäßigerweise unmittelbar mit dem Betriebspotential- Anschluss 60 bzw. 60' der dritten Anschlusseinrichtung des jeweiligen Schaltgeräts verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltgerät (20) zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (150) von einem Energieversorgungsnetz (140), mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Anschlusseinrichtung (200), an welche ein Energieversorgungsnetz (140) zur Bereitstellung einer Versorgungspannung für einen elektrischen Verbraucher (150) anschließbar ist,
einer zweiten Anschlusseinrichtung (201), an welche ein elektrischer
Verbraucher (150) anschließbar ist,
einer dritten Anschlusseinrichtung (60, 61), an die eine
Energieversorgungsquelle (50) zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für das Schaltgerät (20) anschließbar ist,
wenigstens einem Strompfad (160), der an der ersten und zweiten
Anschlusseinrichtung (200, 201) angeschlossen ist, wobei der wenigstens eine Strompfad (160) einen ersten elektromechanischen Schalter (170) und eine in Reihe zum ersten elektromechanischen Schalter (170) geschaltete
Parallelschaltung (180) eines zweiten elektromechanischen Schalters (182) mit einem Halbleiterschalter (181) aufweist,
einem Netzteil (120), welches elektrisch mit der dritten Anschlusseinrichtung (60, 61) verbunden ist,
einem Energiespeicher (80), welcher elektrisch an der dritten
Anschlusseinrichtung (60, 61) derart angeschlossen ist, dass der Energiespeicher (80) mittels einer an die dritte Anschlusseinrichtung (60, 61) anlegbaren Versorgungsspannung aufladbar ist,
einer Steuereinheit (130), die mit dem Netzteil (120) elektrisch verbunden ist, wobei
die Steuereinheit (130) dazu ausgebildet ist, jeweils ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter (170), den zweiten elektromechanischen Schalter 182) und den Halbleiterschalter (181) auszugeben, wobei die
Steuereinheit (130) die Energie zur Erzeugung der Schaltsignale über das Netzteil (120) bezieht,
einer Detektor- und Meldeeinrichtung (90), die dazu ausgebildet ist, das Entladen des Energiespeichers (80) zu detektieren und ein Meldesignal der Steuereinheit (130) zuzuführen, welches der Steuereinheit (130) das Entladen des Energiespeichers (80) signalisiert, wobei die Steuereinheit (130) dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf das Meldesignal mittels der im
Energiespeicher (80) gespeicherten Energie
zuerst den Halbleiterschalter (181) elektrisch leitend zu schalten, anschließend den zweiten elektromechanischen Schalter (182) zu öffnen, danach
den Halbleiterschalter (181) elektrisch nicht leitend zu schalten und
anschließend den ersten elektromechanischen Schalter (170) zu öffnen.
2. Schaltgerät nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
eine mit dem Energiespeicher (80) verbundene
Spannungsbegrenzungseinrichtung (100), die dazu ausgebildet ist, die am Energiespeicher (80) anliegende Spannung auf einen vorbestimmten
Spannungswert zu begrenzen, wobei eine Entladung des Energiespeichers (80) erfolgt, wenn eine an der dritten Anschlusseinrichtung (60, 61) anliegende Versorgungsspannung den am Energiespeicher (80) anliegenden vorbestimmten Spannungswert unterschreitet.
3. S chaltgerät nach Anspruch 2 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Anschlusseinrichtung einen Masseanschluss (61) und einen
Betriebspotential- Anschluss (60) aufweist,
die Spannungsbegrenzungseinrichtung (100) eine Zener-Diode und einen elektrischen Widerstand (110) aufweist, wobei die Zener-Diode parallel zum Energiespeicher (80) geschaltet ist, wobei der Anodenanschluss der Zener-Diode mit dem Masseanschluss (61) und der Kathodenanschluss mit einem Anschluss des elektrischen Widerstands (110) verbunden ist, während der andere
Anschluss des elektrischen Widerstands dem Betriebspotential- Anschluss (60) zugeordnet ist.
4. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Detektor- und Meldeeinrichtung (90) ein Koppelelement aufweist, welches mit dem Energiespeicher (80), einem Eingang (131) der Steuereinheit (130) und einem Eingang des Netzteils (120) verbunden ist, wobei die Detektor- und Meldeeinrichtung (90) ein binäres Meldesignal liefert.
5. Schaltgerät nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Koppelelement ein Optokoppler ist, der einen zwischen den Energiespeicher (80) und den Eingang des Netzteil (120) geschalteten optischen Sender (91) und einen mit dem Eingang (131) der Steuereinheit (130) verbundenen optischen Empfänger (92) aufweist.
6. Schaltgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen weiteren mit der ersten und zweiten Anschlusseinrichtung (200, 201) verbundenen Strompfad (162), welcher einen ersten elektromechanischen Schalter (171) und einen in Reihe zum ersten elektromechanischen Schalter (171) geschaltete Parallelschalung (190) eines zweiten elektromechanischen Schalters (192) mit einem Halbleiterschalter (191) aufweist, wobei
die Steuereinheit (130) dazu ausgebildet ist, ein Schaltsignal für den ersten elektromechanischen Schalter (171), den zweiten elektromechanischen Schalter (192) und den Halbleiterschalter (191) des weiteren Strompfads (162) auszugeben, wobei die Steuereinheit (130) ferner dazu ausgebildet ist, unter Ansprechen auf das Meldesignal der Detektor- und Meldeeinrichtung (90) mittels der im Energiespeicher (80) gespeicherten Energie hinsichtlich des weiteren Strompfads (162) zuerst den Halbleiterschalter (191) elektrisch leitend zu schalten, anschließend den zweiten elektromechanischen Schalter (192) zu öffnen, danach den Halbleiterschalter (191) elektrisch nicht leitend zu schalten und anschließend den ersten elektromechanischen Schalter (171) zu öffnen. Sicherheitsschaltsystem (10; 220) zum sicheren Abschalten eines elektrischen Verbrauchers (150) von einem Energieversorgungsnetz (140), aufweisend wenigstens ein Schaltgerät (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, eine externe Versorgungsquelle (50), die über eine externe Schalteinrichtung (40) an die dritte Anschlusseinrichtung (60, 61) des Schaltgeräts (20) anschaltbar oder von der dritten Anschlusseinrichtung (60, 61) des Schaltgeräts (20) trennbar ist.
Sicherheitsschaltsystem (220) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Schaltgeräte (20, 20') gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 über die externe Schalteinrichtung (40) parallel an die Versorgungsquelle (50) anschaltbar sind, wobei jedes Schaltgerät (20, 20') eine Entkopplungsdiode (70, 70') aufweist, deren Anodenanschluss mit der dritten Anschlusseinrichtung (60, 61; 60', 61 ') und deren Kathodenanschluss mit dem Netzteil (120) des jeweiligen Schaltgeräts (20; 20') verbunden ist.
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EP3838650A1 (de) Schienenfahrzeug

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