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Die Erfindung betrifft ein Schutzschaltgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aufgabe eines Schutzschaltgerätes ist es, bei Erfülltsein einer vorbestimmten Bedingung einen elektrischen. Verbraucher (oder eine Mehrzahl von solchen) von einer Spannungsquelle zu entkoppeln. Zu diesem Zweck wird das Schutzschaltgerät zwischen diese Spannungsquelle und den zumindest einen Verbraucher geschaltet: Es weist Eingangsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse auf, wobei paarweise jeweils ein Eingangsanschluss mit einem Ausgangsanschluss verbunden ist. (In der Regel gibt es zwei oder vier derartige Paare). Die Verbindung ist durch eine Einrichtung zum Unterbrechen unterbrechbar. Es gibt zunehmend solche Schutzschaltgeräte, bei denen die Einrichtung zum Unterbrechen nicht oder nicht ausschließlich elektromechanisch arbeitet, sondern von einer digitalen Datenverarbeitungseinrichtung, typischerweise einem Mikrocontroller, angesteuert wird. Derartige Mikrocontroller erhalten zunehmend neue Aufgaben. So ist es bekannt, bei der Auslösung eines Schutzschaltgerätes zu berücksichtigen, ob Energie von der Spannungsquelle zu dem Verbraucher fließt oder umgekehrt; letzteres ist z. B. dann der Fall, wenn ein als Verbraucher vorgesehener Elektromotor ausfällt und in Umkehrung als Generator arbeitet. Aus Sicht des Schutzschaltgerätes ist somit zwischen der Situation unterschieden, dass Energie einmal von dem Eingangsanschluss zum Ausgangsanschluss übertragen wird und ein andernmal umgekehrt vom Ausgangsanschluss zum Eingangsanschluss übertragen wird.
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Die Richtung des Energieflusses ermittelt man bisher anhand der Wirkleistung. Zu diesem Zweck wird die Spannung abgegriffen, die die Verbraucher versorgt, und zusätzlich wird der über das Schutzschaltgerät fließende Strom abgegriffen und in eine Spannung gewandelt. Die beiden so entstehenden Spannungen können miteinander multipliziert werden. Das Vorzeichen der Wirkleistung gibt die Richtung des Energieflusses an. Die Berechnung der Wirkleistung erfolgt durch die digitale Datenverarbeitungseinrichtung selbst. Damit die digitale Datenverarbeitungseinrichtung in der Lage ist, derartige Berechnungen durchzuführen, muss sie mit einer entsprechenden Rechenleistung ausgestattet sein. Dies führt aber nachteiligerweise dazu, dass die Richtung des Energieflusses beim Auslösen, z. B. beim Festlegen eines Auslösestroms oder anderer Betriebsparameter wie anderer Schwellwerte, nur in hochpreisigen, insgesamt aufwändig gestalteten Zuschaltgeräten berücksichtigt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, für einen größeren Anwendungsbereich zu sorgen, was das Berücksichtigen des Energieflusses angeht.
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Die Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgerät mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, gemäß einem anderen Aspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schutzschaltgerät sind somit analoge (analog arbeitende) Schaltelemente zur Erzeugung eines Eingangssignals für die digitale Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen (wobei das Eingangssignal über eine entsprechende Kopplung der analog arbeitenden Schaltelemente mit der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt wird), wobei es sich um ein solches Eingangssignal handelt, aus dem durch die digitale Datenverarbeitungseinrichtung ableitbar ist (und im Betrieb abgeleitet wird), in welche Richtung vor dem Unterbrechen der Verbindung Energie übertragen wird.
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Durch die Erfindung wird die Funktionalität des Ermittelns der Richtung des Energieflusses somit aus der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung ausgelagert. Man kann die analog arbeitenden Schaltelemente auch einfach unter „außerhalb der digitalen Datenverarbeitungseinrichtung angeordnete und von einer solchen verschiedene Schaltelemente” subsumieren. Die Erfindung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass durch analog arbeitende Schaltelemente solche Eingangssignale für die digitale Datenverarbeitungseinrichtung erzeugbar sind, aus denen die Richtung des Energieflusses ableitbar ist; analog arbeitende Schaltelemente können auf einfache Weise ein Eingangssignal erzeugen, und auch einfach erzeugte Signale können eine einfache Information wie die über die Richtung des Energieflusses beinhalten bzw. tragen.
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Bei dem einfachen Eingangssignal kann es sich insbesondere, wie sich aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt, um ein solches Signal handeln, das eine Information über die Phasenbeziehung zwischen einer an Anschlüssen des Schutzschaltgeräts anliegenden Wechselspannung und dem aufgrund der Wechselspannung über das Schutzschaltgerät fließenden Strom trägt, wobei aus dieser Information die Richtung des Energieflusses ableitbar ist. Fließt die Energie in die eine Richtung, eilt der Strom der Wechselspannung hinterher, fließt die Energie in die Gegenrichtung, eilt der Strom der Spannung voraus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein erster Teil der analog arbeitenden Schaltelemente so ausgelegt, dass die zwischen zwei Anschlüssen anliegende Wechselspannung im Betrieb zu einem Rechtecksignal aufbereitet wird. Ein zweiter Teil der analog arbeitenden Schaltelemente ist so ausgelegt dass zum Betrieb zunächst ein aufgrund der Wechselspannung fließender Wechselstrom zu einer Wechselspannung gewandelt wird, und wobei auch diese Wechselspannung in entsprechender Weise zu einem Rechtecksignal aufbereitet wird. Ein dritter Teil der analog arbeitenden Schaltelemente ist schließlich dazu ausgelegt, durch Verarbeiten beider Rechtecksignale das Eingangssignal zu erzeugen.
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Aus Rechtecksignalen lässt sich in besonders einfacher Weise eine wesentliche Information extrahieren. Da es, wie oben dargestellt, insbesondere um die Phasenbeziehung zwischen der Spannung und dem Strom geht, genügen Rechtecksignale, denn lediglich aufgrund der Nulldurchgänge der Signale kann eine nützliche Information abgeleitet werden.
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Damit nicht fälschlicherweise solche Nulldurchgänge ermittelt werden, die aufgrund des Zumischens von höheren Harmonischen auftreten, können der erste und der zweite Teil der analog arbeitenden Schaltelemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform jeweils zumindest einen Filter aufweisen, sodass lediglich eine Grundwelle aus der jeweiligen Spannung (der Wechselspannung unmittelbar bzw. dem zu einer Wechselspannung gewandelten Wechselstrom) herausgefiltert wird.
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Um aus der Grundwelle das Rechtecksignal zu erzeugen, kann in einfacher Weise ein Komparator verwendet werden, genauso gut auch ein Schmitt-Trigger.
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Bei einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung, bei der auch besonders einfache analog arbeitende Schaltelemente verwendet werden, umfasst der dritte Teil analog arbeitender Schaltelemente zwei Flipflops. Die Verschaltung dieser Flipflops ist insbesondere derart, dass die erzeugten Rechtecksignale dem Setzeingang der Flipflops zugeführt werden. Außerdem sind die Ausgänge der Flipflops über eine „Und”-Schaltung (z. B. ein „Und”-Gatter) miteinander gekoppelt, die Ausgangssignale der Flipflops werden somit einer „Und”-Schaltung zugeführt, wobei der Ausgang der „Und”-Schaltung mit den Rücksetzeingängen der Flipflops gekoppelt ist, damit das Ausgangssignal nach der und -Verknüpfung für ein Rücksetzen sorgen kann. Ferner werden zudem die Ausgangssignale der Flipflops einem Addierglied (Addierer) zugeführt, dessen Ausgangssignal seinerseits der digitalen Datenvorrichtung zugeführt wird.
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Bei der genannten Schaltung erhält man für die Zeitdauer, in der die beiden Rechtecksignale nicht dasselbe Signal zeigen, ein anderes Signal, als für die Zeitdauer, in der sie genau dasselbe Signal zeigen. Die Dauer dieses anderen Signals ist ein Maß für die Dauer der Phasenverschiebung zwischen Wechselstrom und Wechselspannung. Das Vorzeichen dieses Signals gibt aber bereits unmittelbar die Richtung des Energieflusses an. Man erhält somit sogar eine etwas aussagekräftigere Information als eine bloße Information über die Richtung des Energieflusses; nämlich eine Information über die der Phasenverschiebung zugeordnete Zeitdauer.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann man sogar noch darüber hinaus gehende präzise Informationen erhalten: der dritte Teil an analog arbeitenden Schaltelementen umfasst hierbei eine „Und”-Schaltung, der die beiden Rechtecksignale zugeführt werden. Das Ausgangssignal der „Und”-Schaltung wird hingegen einem Zähler zugeführt. Dieser führt eine Zählung durch, wofür er zusätzlich ein Taktsignal erhält. Er zählt, für wie viel Takte das Summensignal gültig ist. Das Ergebnis dieser Zählung ist unmittelbar ein Maß für die Phase, z. B. angegeben als Winkel, zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung. Aus dieser Winkelangabe lässt sich aber ableiten, ob der Strom der Spannung vorauseilt oder umgekehrt, und damit auch die Richtung des Energieflusses. Die digitale Datenverarbeitungseinrichtung teilt hierbei bestimmte Winkelbereiche einfach bestimmten Richtungen des Energieflusses zu, wobei entweder der vollständige Winkelbereich unmittelbar durch zwei geteilt wird oder zwei Bereiche durch einen Bereich, in dem ein Fehler der Anordnung gemeldet wird, getrennt werden.
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Bevorzugt weist bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung der dritte Teil des analog arbeitenden Schaltelements ferner einen Frequenzteiler auf, dem eines der Rechtecksignale zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers wird einem Zähler zugeführt, der anhand eines ebenfalls zugeführten Taktsignals dann die Zählung und damit die Frequenzmessung durchführt. Das Ergebnis der Zählung ist unmittelbar ein Maß für die gesuchte Periode.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
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1 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung veranschaulicht, wie sie bei einem erfindungsgemäßen Schutzschaltgerät verwirklicht sein kann, und
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2 eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung veranschaulicht, wie sie ebenfalls bei einem erfindungsgemäßen Schutzschaltgerät verwirklicht sein kann.
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Zunächst wird vorliegend beschrieben, welche Schaltelemente (Schaltungselemente) den beiden Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam sind. Dann wird auf die Ausführungsform im einzelnen eingegangen.
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Ein Schutzschaltgerät ist in der Verbindung zwischen einer Spannungsquelle Q und einem Verbraucher, z. B. einem Motor M geschaltet. Das Schutzschaltgerät kann diese Verbindung unterbrechen, hierfür verfügt es über geeignete Schaltkontakte, die in den Figuren nicht gezeigt sind. Das Öffnen der Schaltkontakte kann unter der Steuerung eines Mikrocontrollers μC erfolgen, der auf eine entsprechende Auslöseeinrichtung steuernd einwirkt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in den Figuren ebenfalls nicht gezeigt sind.
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Die in dem Stromkreis herrschende Wechselspannung wird unmittelbar direkt abgegriffen, oder wie in den Figuren gezeigt, über einen Spannungswandler (Transformator) T in eine andere Größenordnung gewandelt. Die so gewandelte Spannung wird einer Einheit 10 zugeführt, in der eine Bandbegrenzung erfolgt (durch einen Bandpass) wobei gleichzeitig eine Signalpegelanpassung erfolgt. Nach diesem so genannten Matching wird die Spannung dem Mikrocontroller zugeführt.
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Auch der Strom im Stromkreis mit der Spannungsquelle Q und dem Verbraucher M wird gemessen. Hierbei wird z. B. ein sogenannter Rogowski-Wandler RW eingesetzt, der eine Luftspule umfasst. Die an der Spule abfallende Spannung ist der zeitlichen Ableitung der Stromstärke gleich. Damit man ein der Stromstärke entsprechendes Signal erhält, ist ein Integrator I vorgesehen, und zwar als Teil einer Einheit 12, in der ebenfalls eine Bandbegrenzung und eine Signalpegelanpassung erfolgt. Auch hier werden die Ausgangssignale dem Mikrocontroller μC zugeführt.
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Die Ausgangssignale der Einheiten 10 und 12 werden außerdem zusätzlich einem sogenannten Grundwellenfilter 14 bzw. 16 zugeführt. Durch diesen Filter wird lediglich eine Welle mit der Schwingung, mit der die Spannungsquelle Q die Spannung abgibt, durchgelassen.
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In einem nachfolgenden Komparator 18 bzw. 20 wird aus der Grundwelle dann ein Rechtecksignal erzeugt. Statt eines Komparators kann auch ein Schmitt-Trigger vorgesehen sein.
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Die Rechteckspannung wird einem jeweiligen Setz-Eingang (Set-Input) eines Flipflops F1 bzw. F2 zugeführt. Die an den Ausgängen der beiden Flipflops F1 und F2 ausgehende Spannung wird in einem „Und”-Gatter zusammengeführt, und die der „Und”-Operation unterzogenen Signale werden dann dem rückstellenden Eingang R der Flipflops F1 und F2 zugeführt (dem Reset-Input), und gleichzeitig werden die Ausgangssignale in einem Addierer A addiert, und das addierte Signal wird dem Mikrocontroller μC in seinem Eingang E zugeführt.
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Das Ausgangssignal des Addierers A ist dann von Null verschieden, wenn gerade die beiden Rechtecksignale verschieden sind. Somit wird unmittelbar eine Phasenverschiebung zwischen den Rechtecksignalen und somit zwischen der Spannung und dem Strom im Stromkreis mit der Stromquelle Q und dem Verbraucher M im Ausgangssignal abgebildet. Das Vorzeichen des Ausgangssignals am Addierer A zeigt an, ob Energie von der Spannungsquelle Q zum Verbraucher M transportiert wird oder umgekehrt beim Betrieb des Motors als Generator Energie von dem Verbraucher M zur Stromquelle Q fließt. Daher ist der Mikrocontroller μC in der Lage, allein aufgrund des Vorzeichens des am Eingang E anliegenden Taktsignals festzustellen, in welche Richtung die Energie fließt. Aufgabe des Mikrocontrollers μC ist es, das Erfülltsein eines vorbestimmten Kriteriums zu überprüfen, bevor es zu einer Auslösung kommt, also der Stromkreis unterbrochen wird. Die vorbestimmte Bedingung kann insbesondere hierbei je nach dem unterschiedlich sein, ob Energie von der Stromquelle Q zum Verbraucher M fließt oder umgekehrt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 werden die beiden Rechtecksignale unmittelbar einem „Und”-Gatter zugeführt, dessen Ausgangssignal einem ersten Zähler Z1 zugeführt wird, dem gleichzeitig von einem Taktgeber CLK ein Taktsignal zugeführt wird. Der Zähler Z1 gibt einen Zählwert aus, der ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen den beiden Rechtecksignalen und damit zwischen der Spannung und dem Strom ist. Das Ausgangssignal des Zählers Z1 wird dem Eingang E'1 des Mikrocontrollers μC zugeführt. Dieser hat somit einen Zahlwert zur Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zur Verfügung. Zusätzlich kann an einem beliebigen der beiden Rechtecksignale durch einen Frequenzteiler FT eine Frequenzteilung vorgenommen werden, und anschließend durch einen Zähler Z2 eine Zählung erfolgen. Dies ist vorliegend anhand des Rechtecksignals für den Strom dargestellt. Das Ausgangssignal des Zählers Z2 wird dem Eingang E'2 des Mikrocontrollers μC zugeführt. Am Eingang E'2 steht somit ein Maß für die Periodendauer der Schwingung zur Verfügung.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 können über die bloße Berücksichtigung der Richtung des Energieflusses hinaus noch Zusatzinformation verwertet werden, entweder beim Festlegen des Auslösekriteriums oder dafür, dass der Mikrocontroller weitere Aufgaben in dem Gerät übernimmt.
