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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Verbrauchers, mit einem oder mehreren Leitungsschutzelementen, die in einer jeweiligen Phase zwischen zugeordneten Netzanschlüssen und dem Verbraucher angeordnet sind, und mit einer Einrichtung zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung des Verbrauchers, welche zwischen dem Verbraucher und dem oder den Leitungsschutzelementen angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.
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Eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung des Verbrauchers ist unter dem Begriff der Sanft- oder Softstarteinrichtung (kurz: Sanftstarter oder Softstarter) bekannt. Diese werden zur Ein- und Ausschaltstrombegrenzung induktiver Verbraucher, wie z.B. Motoren, genutzt. Ein Sanftstarter umfasst meist zwei antiparallel geschaltete Thyristoren. Durch eine geeignete Phasenanschnittsteuerung beider Thyristoren wird die Spannung des Verbrauchers langsam angehoben oder abgesenkt. Um im Betrieb Verluste in dem Sanftstarter zu vermeiden, werden im Dauerbetrieb die Thyristoren mit Hilfe eines Schaltelements, wie z.B. eines Halbleiterrelais oder eines Schützes, überbrückt.
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Umfasst ein Sanftstarter eine Thyristor-Schaltung, so kann der Strom nur beim Nullspannungsdurchgang abgeschaltet werden. Treten in der Schaltungsanordnung jedoch Fehler, wie z.B. Kurzschlüsse aufgrund von Kabelschäden oder Windungsschlüssen in einem Motor, auf, so müssen alle Bauelemente der Schaltungsanordnung, d.h. die Komponenten des Sanftstarters (Thyristoren und Schaltelement), der Verbraucher sowie weitere elektronische Komponenten den Kurzschlussstrom bis zum nächsten Nulldurchgang tragen. Soll eine Beschädigung der genannten Komponenten beim Auftreten eines Fehlers vermieden werden, so bedingt dies die Überdimensionierung der Komponenten, insbesondere der Thyristoren des Sanftstarters.
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Die zwischen dem Sanftstarter und den Netzanschlüssen einer jeden Phase vorgesehenen Leitungsschutzelemente sollen zwar grundsätzlich bei zu hohen Strömen eine Stromunterbrechung herbeiführen. Die üblicherweise verwendeten Schmelzsicherungen haben jedoch eine langsame Reaktionszeit, so dass der Schutz der Kompenten der Schaltungsanordnung, insbesondere des verhältnismäßig teuren Sanftstarters, nicht zuverlässig gewährleistet ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Verbrauchers sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, durch die beim Auftreten eines Fehlers die Komponenten besser gegen die Beschädigung geschützt sind.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Es wird eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Verbrauchers vorgeschlagen, der ein oder mehrere Leitungsschutzelemente und eine Einrichtung zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung des Verbrauchers (sog. Sanft- oder Softstarter) umfasst. Das oder die Leitungsschutzelemente sind in einer jeweiligen Phase zwischen zugeordneten Netzanschlüssen und dem Verbraucher angeordnet. Die Einrichtung zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung des Verbrauchers ist zwischen dem Verbraucher und dem oder den Leitungsschutzelementen angeordnet. Bei dem Verbraucher kann es sich um eine beliebige induktive Last handeln. Beispielsweise stellt der Verbraucher eine elektrische Maschine, z.B. einen Motor, dar. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine dreiphasige Antriebsmaschine handeln. Die Leitungsschutzelemente können in Form von Schmelzsicherungen bereitgestellt sein. In jeder Phase der Schaltungsanordnung ist zweckmäßigerweise ein solches Leitungsschutzelement vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sind ein Überwachungsmittel zur Überwachung der Schaltungsanordnung auf das Vorliegen eines Fehlers sowie ein oder mehrere, steuerbare Schaltelemente vorgesehen. Ein jeweiliges Schaltelement ist zwischen einer Phase und einer anderen Phase oder zwischen einer Phase und einem Rückleiter verschaltet. Das Überwachungsmittel schaltet bei einem detektierten Fehler zumindest eines der Schaltelemente leitend, um ein Auslösen des oder der Leitungsschutzelemente sicher und in kurzer Zeit zu erzwingen.
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Ein Fehler der Schaltungsanordnung liegt z.B. vor, wenn ein Kurzschluss zwischen der Sanftstarteinrichtung und dem Verbraucher gegeben ist. Dies kann beispielsweise durch einen Schaden in den Leitungen oder, sofern es sich bei dem Verbraucher um einen Motor handelt, bei einem Windungsschluss der Fall sein.
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Durch das Überwachungsmittel und das oder die zwischen den Phasen oder einer Phase und einem Rückleiter verschalteten Schaltelementen kann beim Auftreten eines Fehlers durch das Leitendschalten zumindes eines der Schaltelemte ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder einer Phase und dem Rückleiter hergestellt werden, so dass das Auslösen des oder der in der oder den betreffenden Phasen vorgesehen Leitungsschutzelementen in kurzer Zeit sicher erwungen werden kann, wodurch die übrigen Komponenten, insbesondere der Sanftstarter und der Verbraucher vor Beschädigung geschützt werden können.
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Das Überwachungsmittel in Kombination mit dem oder den steuerbaren Schaltelementen kann als Klemmschaltung betrachtet werden.
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Ohne das Vorsehen des Überwachungsmittels und des oder der Schaltmittel kann nicht sichergestellt werden, dass die Leitungsschutzelemente schnell genug auslösen, um Schäden an der Sanftstarteinrichtung oder dem Verbraucher zu verhindern.
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Das Überwachungsmittel umfasst gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ein Strommessmittel zur Überwachung eines in jeder Phase fließenden Stroms. Hierzu können entsprechende Strommesseinrichtungen des Strommessmittels in der oder den Phasen der Schaltungsanordnung angeordnet sein. Da es zur Vermeidung eines Fehlers im Fehlerfall erforderlich ist, dass das oder die Schaltelemente in kurzer Zeit ausgelöst werden, sind insbesondere solche Strommesseinrichtungen zu verwenden, welche eine schnelle Messung des in den Phasen fließenden Stroms ermöglichen. Dies kann z.B. mittels eines Shunts realisiert werden.
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Das Überwachungsmittel umfasst gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung eine Logik zur Auswertung der Höhe und/oder des Anstiegs des Stroms jeder Phase. Dadurch ist es nicht nur möglich, aus der absoluten Höhe des Stroms auf das Vorliegen eines Fehlers zu schließen, sondern es können auch dynamische Veränderungen in der Schaltungsanordnung zur Bestimmung eines Fehlerfalls ausgewertet werden.
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Das Überwachungsmittel kann gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung dazu ausgebildet sein, auf einen Fehler zu entscheiden, wenn in zumindest einer der Phasen eines der folgenden Kriterien erfüllt ist:
- a) der Anstieg des Stroms übersteigt einen vorgegebenen ersten Schwellwert;
- b) der absolute Wert des Stroms überschreitet einen vorgegebenen zweiten Schwellwert;
- c) die über eine vorgegebene Zeitspanne umgesetzte Energie überschreitet einen vorgegebenen dritten Schwellwert.
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Zumindest diese genannten Fehlerfälle führen dazu, dass durch das Überwachungsmittel auf das Vorliegen eines Fehlers erkannt werden kann, was zur Ansteuerung bzw. dem Leitendschalten zumindest eines Schaltelements führt. Dadurch wird zumindest eine der Sicherungen schnell und sicher ausgelöst und die Versorgungsspannung unterbrochen, so dass die Sanftstarteinrichtung und der Motor keinerlei Gefahr im Hinblick auf eine Beschädigung ausgesetzt sind.
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Das Überwachungsmittel kann gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung dazu ausgebildet sein, bei der Ermittlung, ob ein Fehler vorliegt, eine Information über einen Betriebszustand des Verbrauchers zu berücksichtigen. Insbesondere ist die Logik des Überwachungsmittels zur Berücksichtigung der Information über den Betriebszustand des Verbrauchers ausgebildet. Als Betriebszustand können beispielsweise eine Anlaufphase und ein Normalbetrieb des Verbrauchers definiert werden. Es versteht sich, dass darüber hinaus die Definition und Berücksichtigung weiterer Betriebszustände ermöglicht ist. Beim Anlauf, beispielsweise eines Motors, fließen in der Regel in den Phasen sehr hohe Ströme. Diese hohen Ströme dürfen nicht dazu führen, dass das Überwachungsmittel auf einen Fehler schließt und ein oder mehrere der steuerbaren Schaltelemente aktiviert. Die Information über den gerade vorliegenden Betriebszustand ermöglichst es dem Überwachungsmittel zu entscheiden, ob z.B. bei einem zu hohen detektierten Strom ein Fehlerfall vorliegt oder nicht. Hierzu kann die Information über den Betriebszustand mit den Kriterien bezüglich des Stroms in den einzelnen Phasen über eine logische UND-Verknüpfung verbunden werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung sind das Überwachungsmittel und das oder die Schaltelemente zwischen der Einrichtung zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung des Verbrauchers und dem oder den Leitungsschutzelementen angeordnet. Hierdurch ist sichergestellt, dass beim Auslösen zumindest eines der Schaltelemente wenigstens die in den kurzgeschlossenen Leitungen liegenden Leitungsschutzelemente ausgelöst werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Schaltzustand eines jeweiligen Schaltelements reversibel ist. Dies ermöglicht es, nach dem Auftreten eines Fehlers und dem Ansprechen des Überwachungsmittels und eines oder mehrerer der Schaltelemente, das oder die Schaltelemente wieder zu öffnen, nachdem der Fehler behoben und das oder die Leitungsschutzelemente, welche ausgelöst haben, ausgetauscht wurden. Damit ist ein kostengünstiger Betrieb der Schaltungsanordnung nach dem Auftreten eines Fehlers ermöglicht.
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Das Schaltelement kann ein mechanischer Schalter, insbesondere ein Schütz oder ein Relais, sein. Derartige mechanische Schalter sind in der Lage, für eine längere Zeit sehr hohe Ströme zu tragen, ohne dass die Schalter dabei beschädigt werden. Im Gegensatz dazu ist dies bei Halbleiterschaltelemente nicht zuverlässig sichergestellt. Alternativ kann das Schaltelement ein pyrotechnisches Schaltelement sein, welches jedoch gegenüber einem mechanischen Schalter nicht reversibel ist. Dies bedeutet, nach einem Auslösen ist auch das Schaltelement auszutauschen.
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Das Überwachungsmittel ist gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung dazu ausgebildet, beim Vorhandensein mehrerer Schaltelemente diese bei einem detektierten Fehler mittels eines gemeinsamen Ansteuersignals parallel anzusteuern und leitend zu schalten. Dadurch sollen nach Möglichkeit alle in jeweiligen Phasen vorgesehene Leitungsschutzelemente zum Auslösen gebracht werden, um eine Schädigung der Sanftstarteinrichtung und des Verbrauchers zuverlässig zu verhindern.
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Bei den erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer wie oben beschriebenen Schaltungsanordnung überwacht das Überwachungsmittel zur Überwachung der Schaltungsanordnung die Schaltungsanordnung auf das Vorliegen eines Fehlers und schaltet bei einem detektierten Fehler zumindest eines der Schaltelemente leitend, um ein Auslösen des oder der Leitungsschutzelemente zu erzwingen.
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Mit dem Verfahren sind die gleichen Vorteile verbunden, wie sie sie vorstehend in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beschrieben wurden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entscheidet das Überwachungsmittel auf einen Fehler, wenn in zumindest einer der Phasen eines der folgenden Kriterien erfüllt ist:
- a) der Anstieg des Stroms überschreitet einen vorgegebenen ersten Schwellwert;
- b) der absolute Wert des Stroms überschreitet einen vorgegebenen zweiten Schwellwert;
- c) die über eine vorgegebene Zeitspanne umgesetzte Energie überschreitet einen vorgegebenen dritten Schwellwert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung verarbeitet das Überwachungsmittel bei der Ermittlung, ob ein Fehler vorliegt, eine Information über einen Betriebszustand des Verbrauchers.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Überwachungsmittel bei Vorhandensein mehrerer Schaltelemente diese parallel ansteuert und leitend schaltet.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines dreiphasigen elektrischen Verbrauchers.
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Das nachfolgende Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf eine dreiphasige, elektrische Antriebsmaschine beschrieben. Die nachfolgenden Ausführungen gelten in entsprechender Weise, wenn der elektrische Verbraucher über eine andere Anzahl an Phasen mit Energie versorgt wird. Insbesondere kann es sich bei dem Verbraucher um einen einphasigen Verbraucher handeln, welcher über eine Phase und einen Rückleiter elektrisch angeschlossen ist. Ebenso kann die Anzahl der Phasen größer als die gezeigte Anzahl an Phasen sein.
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Der dreiphasige Verbraucher 10 in Gestalt einer Antriebsmaschine M ist über eine Einrichtung 20 zur Steuerung und/oder Ein-/Ausschaltstrombegrenzung (nachfolgend kurz: Sanftstarteinrichtung) und in den jeweiligen Phasen L1, L2, L3 angeordnete Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 mit jeweiligen Netzanschlüssen der Phasen L1, L2, L3 verbunden. Die Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 sind beispielsweise in Gestalt von Schmelzsicherungen ausgebildet. Diese können, sofern diese einmal aufgrund eines Fehlerfalls ausgelöst haben, für jede Phase L1, L2, L3 einzeln ausgetauscht werden.
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Die Sanftstarteinrichtung 20 umfasst für jede Phase einen Sanftstarter 21, 22, 23. Jeder der Sanftstarter 21, 22, 23 umfasst zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 24, 25 sowie ein die Thyristeranorndung überbrückendes Schaltelement 26. Das Schaltelement 26 kann beispielsweise in Gestalt eines Halbleiterrelais oder eines Schützes ausgebildet sein. Allgemein stellt das Schaltelement 26 einen steuerbaren mechanischen Kontakt dar, welcher im Dauerbetrieb des Verbrauchers 10 die parallel geschalteten Thyristoren 24, 25 überbrückt. Beim Einschalten oder Ausschalten des Verbrauchers erfolgt eine Phasenanschnittsteuerung der beiden Thyristoren 24, 25, um die Spannung an den Phasen L1, L2, L3 des Verbrauchers 10 in vorgegebener Weise langsam anzuheben oder abzusenken. Da das Prinzip einer Sanftstarteinrichtung aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt ist, wird an dieser Stelle auf eine eingehendere Beschreibung der Funktionsweise verzichtet, da davon ausgegangen wird, dass diese einem Fachmann bekannt ist.
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Beim Auftreten eines Fehlers, beispielsweise einem Kurzschluss zwischen der Sanftstarteinrichtung 20 und dem Verbraucher 10, sollte bestimmungsgemäß zumindest eines der Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 auslösen, um eine Beschädigung der Komponenten der Sanftstarteinrichtung 20 und/oder des Verbrauchers 10 zu verhindern. Beschädigungen und Defekte können beispielsweise in der Sanftstarteinrichtung auftreten, wenn die Thyristoren 24, 25 nicht in bestimmungsgemäßer Weise lediglich im Nulldurchgang der Spannung abgeschaltet werden. Da die Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 in Gestalt von Schmelzsicherungen in der Regel ein verhältnismäßig träges Verhalten aufweisen, kann ein zu spätes Auslösen erfolgen, so dass die beschriebene Beschädigung der verhältnismäßig teuren Sanftstarteinrichtung 20 unter Umständen nicht vermieden werden kann.
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Um das sichere und vor allem im Vergleich wesentlich schnellere Auslösen zumindest eines der Leitungsschutzelemete 31, 32, 33 beim Auftreten eines Fehlers sicher stellen zu können, sind erfindungsgemäß ein Überwachungsmittel 40 zur Überwachung der Schaltungsanordnung auf das Vorliegen eines Fehlers und im Ausführungsbeispiel zwei steuerbare Schaltelemente 50, 51 vorgesehen.
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Das Überwachungsmittel 40 umfasst ein jeweiliges Strommessmittel 41, 42, 43 zur Überwachung des in jeder Phase L1, L2, L3 fließenden Stroms. Die Ausgestaltung des Strommessmittels ist prinzipiell beliebig, sofern sichergestellt ist, dass dieses eine schnelle Messung vornimmt. Die von den Strommessmitteln 41, 42, 43 ermittelten Strommesswerte werden einer lediglich schematisch dargestellten Logik 45 zur Auswertung zugeführt. Die Logik 45 kann wahlweise in Hardware oder in Software realisiert sein.
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Die Logik wertet die jeweiligen Stromwerte der Phasen L1, L2, L3 im Hinblick auf ihre Höhe und/oder den Anstieg des Stroms aus. Darüber hinaus ist die Logik dazu ausgebildet, die jeweiligen Phasenströme im Hinblick auf die Überschreitung des Anstieg des Stroms auf einen vorgegebenen ersten Schwellwert (Kriterium a)), die Überschreitung des absoluten Werts des Stroms auf einen vorgegebenen zweiten Schwellwert (Kriterium b)) und auf die Überschreitung der über eine vorgegebene Zeitspanne umgesetzten Energie über einen vorgegebenen dritten Schwellwert (Kriterium c)) auszuwerten. Die Kriterien a) bis c) sind in der Figur schematisch mit dem Bezugszeichen 46, 47 und 48 gekennzeichnet. Erfüllt der Phasenstrom für zumindest eine der Phasen L1, L2, L3 mindestens eines der Kriterien, so wird auf einen Fehler geschlossen.
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Gleichzeitig wird durch die Logik 45 überprüft, welcher Betriebszustand des Verbrauchers 10 aktuell vorliegt. Allgemein kann der Verbraucher einen Normalbetrieb oder einen Anlauf als grundsätzliche Betriebszustände aufweisen. In der Logik 45 erfolgt eine Verknüpfung der Information über den aktuell vorliegenden Betriebszustand mit den oben genannten Fehlerkriterien. Dadurch kann beispielsweise ein Auslösen der Schaltelemente 50, 51 vermieden werden, wenn der Verbraucher 10 gerade anläuft. Ein Anlauf des Verbrauchers 10 ist häufig mit hohen Stromanstiegen und/oder hohen absoluten Strömen verbunden, so dass an sich die Kriterien für das Vorliegen eines Fehlers erfüllt wären. Die Logik 45 kann somit derart ausgestaltet sein, dass lediglich dann, wenn im Normalbetrieb für eine der Phasen L1, L2, L3 eines der Kriterien a) bis c) erfüllt ist, die Schaltelemente 50, 51 ausgelöst werden.
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Ergibt also die logische Verknüpfung, dass ein Normalbetrieb des Verbrauchers 10 und eines der Kriterien für zumindest eines der Phasen L1, L2, L3 vorliegt, so gibt die Logik ein Ansteuersignal 49 ab und schließt vorzugsweise gleichzeitig beide Schaltelemente 50, 51. Dadurch wird ein Kurzschluss zwischen den Phasen L1, L2 und L3 erzeugt, wodurch die Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 oder zumindest eines davon in kurzer Zeit sicher auslösen und die Versorgungsspannung zu dem Verbraucher 10 und der Sanftstarteinrichtung 20 unterbrechen. Dadurch sind die Sanftstarteinrichtung 20 und der Verbraucher 10 vor Beschädigungen geschützt.
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Die Schaltelemente 50, 51 müssen dazu ausgelegt sein, für eine bestimmte Zeitdauer einen hohen Strom tragen zu können. Darüber hinaus müssen sich diese sehr schnell einschalten lassen. Dies kann beispielsweise durch reversibel ansteuerbare, mechanische Schalter, wie z.B. ein Schütz oder ein Relais sichergestellt werden. Alternativ könnten die Schaltelemente 50, 51 auch pyrotechnische Schaltelemente sein.
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Es ist bevorzugt, wenn die Schaltelemente 50, 51 gemeinsam angesteuert und im Fehlerfall leitend geschalten werden. Grundsätzlich möglich ist auch, dass lediglich dasjenige Schaltelement 50 oder 51 angesteuert und leitend geschaltet wird, für dessen Phase ein Fehler detektiert wurde.
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Zum Wiedereinschalten nach dem Auftreten eines Fehlers müssen der Fehler behoben und die ausgelösten Leitungsschutzelemente 31, 32, 33 erneuert werden. Darüber hinaus müssen durch die Logik 45, sofern es sich bei den Schaltelementen 50, 51 um reversibel steuerbare Schaltelemente handelt, diese durch ein entsprechendes Ansteuersignal 49 sperrend geschaltet werden.
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Dadurch, dass die Schaltelemente 50, 51 nicht im Strompfad der Phasen L1, L2, L3 liegen, wird im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung keine höhere Verlustleistung generiert, so dass die Vorteile heutiger Sanftstarteinrichtungen nicht nachteilig beeinträchtigt sind. Andererseits stellt das Überwachungsmittel in Verbindung mit dem oder den steuerbaren Schaltelementen 50, 51 ein kurzschlussfestes „Solid State“-Schaltelement dar.
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Die Schaltungsanordnung lässt sich insbesondere zum kurzschlussfesten Anlaufen von Asynchronmaschinen im Niederspannungsbereich bis zum Mittelspannungsbereich nutzen.
