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Die Erfindung betrifft einen Leistungsschalter zur Unterbrechung und Schließung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises sowie ein korrespondierendes Verfahren.
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Leistungsschalter sind Schutzgeräte, die ähnlich wie eine Sicherung funktionieren. Leistungsschalter überwachen den durch sie mittels eines Leiters hindurchfließenden Strom und unterbrechen den elektrischen Strom bzw. Energiefluss zu einer Energiesenke bzw. einem Verbraucher, was als Auslösung bzw. Unterbrechung bezeichnet wird, wenn Schutzparameter, wie Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte, d.h. wenn ein Stromwert für eine gewisse Zeitspanne vorliegt, überschritten werden. Die eingestellten Stromgrenzwerte oder Strom-Zeitspannengrenzwerte sind entsprechende Auslösegründe. Die Unterbrechung erfolgt beispielsweise durch Kontakte des Leistungsschalters, die geöffnet werden.
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Insbesondere für Niederspannungsstromkreise bzw. -netze gibt es abhängig von der Höhe des vorgesehenen elektrischen Stromes im elektrischen Stromkreis verschiedene Typen von Leistungsschaltern. Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Schalter gemeint, wie sie in Niederspannungsanlagen für Ströme von 63 bis 6300 Ampere eingesetzt werden. Spezieller werden geschlossene Leistungsschalter für Ströme von 63 bis 1600 Ampere, insbesondere von 125 bis 630 oder 1200 Ampere eingesetzt. Offene Leistungsschalter werden insbesondere für Ströme von 630 bis 6300 Ampere, spezieller von 1200 bis 6300 Ampere verwendet.
Offene Leistungsschalter werden auch als Air Circuit Breaker, kurz ACB, und geschlossene Leistungsschalter als Moulded Case Circuit Breaker oder Kompaktleistungsschalter, kurz MCCB, bezeichnet.
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Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen bis 1000 Volt Wechselspannung oder 1500 Volt Gleichspannung gemeint. Mit Niederspannung sind spezieller insbesondere Spannungen gemeint, die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 25 Volt oder 50 Volt Wechselspannung sowie 60 Volt oder 120 Volt Gleichspannung, sind.
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Mit Leistungsschalter im Sinne der Erfindung sind insbesondere Leistungsschalter mit einer als Steuerungseinheit dienenden elektronischen Auslöseeinheit, auch als Electronic Trip Unit, kurz ETU, bezeichnet, gemeint.
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Bei zu hohem Stromfluss unterbrechen Leistungsschalter den Stromkreis gemäß ihrer Schutzparameter bzw. Ansprechwerte. Die Schutzparameter bzw. Ansprechwerte sind im Wesentlichen die Höhe des Stromes und die Zeit nach der ein Unterbrechen des Stromkreises bei andauernd hohem Stromfluss erfolgen soll. Im Unterschied zu einer Sicherung sind diese Schutzparameter bzw. Ansprechwerte bei einem Leistungsschalter einstellbar, beispielsweise mittels der Steuerungseinheit / elektronischen Auslöseeinheit. Diese ist üblicherweise über die Front des Leistungsschalters zugänglich angebracht. Die Schutzparameter sind hierüber einstellbar bzw. parametrierbar.
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Bisherige Leistungsschalter in elektrischen Anlagen werden generell eingeschaltet. Nach Einschaltung überwachen diese den elektrischen Strom im Stromkreis. Bei einem Spannungsausfall bzw. wenn ein übergeordneter Leistungsschalter auslöst verbleiben diese Leistungsschalter im eingeschalteten Zustand. Liegt erneut eine elektrische Spannung an, steht diese den Verbrauchern sofort zur Verfügung.
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Nur wenn ein Kurzschluss- oder Überstromereignis auftritt, d.h. wenn Strom- oder Strom-Zeitspannengrenzwerte überschritten werden, löst der Leistungsschalter aus und verbleibt im ausgeschalteten Zustand - so lange bis der Fehler behoben ist und der Leistungsschalter wieder eingeschaltet wird.
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D.h. Leistungsschalter, wie auch Sicherungen, sind permanent eingeschaltet, solange keine Überlast- oder Kurzschlusssituation vorliegt. Dies ergibt sich aus dem i.d.R. rein mechanischen Konstruktionsprinzip, bei dem Überstromereignisse anhand von thermischen oder magnetischen Kräften erkannt werden und diese Kräfte zur Auslösung des Leistungsschalters, d.h. Unterbrechung des elektrischen Stromkreises, führen. Auch alle Leistungsschalter mit elektronischer Stromüberwachung, beispielsweise durch eine Steuerungseinheit, z.B. in Form einer elektronischen Auslöseeinheit, wenden dieses Prinzip des permanent geschlossenen Stromkreises, z.B. geschlossene Kontakte, an.
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Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2009 040 692 A1 betrifft einen Schalter (S) zur Energieverteilung, insbesondere Leistungsschalter und Kompaktschalter, der die durch den Schalter (S) fließenden elektrischen Ströme eines mehrphasigen elektrischen Stromnetzes bei Eintreten eines Auslösefalls selbsttätig unterbricht, mit für jede Phase (L) vorgesehenen Schaltkontakten (K1, K2), die über eine Schaltwelle (W) geöffnet werden können, mit einem elektronischen Auslöser (ETU), der das Öffnen der Schaltkontakte (K1, K2) über die Schaltwelle (W) selbsttätig auslöst, mit elektrischen Energiewandlern (4), welche den Strömen der einzelnen Phasen (L) jeweils die für die elektrische Energieversorgung des Auslösers (ETU) erforderliche elektrische Energie entnehmen, mit Messwandlern (6), welche die Ströme der einzelnen Phasen (L) jeweils in ein Messsignal umwandeln, mit einer elektronischen Schaltung (2), insbesondere in Form eines Mikroprozessors (MP), zur Bewertung der den Messsignalen entsprechenden Stromwerte, wobei das Eintreten des Auslösefalls jeweils anhand der Bewertung erkannt wird. Um die Funktionssicherheit des Schalters zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass die von den Energiewandlern (4) abgegebenen Ströme zusätzlich erfasst werden und dass die elektronische Schaltung (2) anhand der erfassten Ströme der Energiewandler (4) und der Messwandler (6) einen Plausibilitätsvergleich durchführt und bei Nicht-Plausibilität ein Warnsignal (WS) generiert.
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Die deutsche Patentschrift
DE 683 965 A offenbart eine Schutzeinrichtung für elektrische Leitungsstrecken, insbesondere für Bahnen, mit Hilfsgeneratoren untereinander verschiedener netzfremder Frequenz und entsprechenden Sperrkreisen an den Streckenenden, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Streckenende der Hilfsgenerator innerhalb der durch die Sperrkreise abgegrenzten Strecke über ein so bemessenes Steuerrelais zwischen Betriebsleitung und Erde angeschlossen ist, daß dieses Steuerrelais im gesunden Streckenzustand bei dem hierbei fließenden normalen kleinen Hilfsstrom nicht anspricht, im fehlerhaften Streckenzustand dagegen infolge des dann fließenden anormalen großen Hilfsstromes netzfremder Frequenz anspricht.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2008 004 870 A1 offenbart ein mit einem Schutzschalter mechanisch koppelbares Modul. Ein an sich bekanntes Fehlerstromschutzmodul (20) ist mit einem Leitungsschutzschalter (18) koppelbar. Ein Summenstromwandler (34) erfasst das Auftreten eines Fehlerstroms und bewirkt eine Betätigung einer mechanischen Auslöseeinrichtung (40), die über eine hierzu passende mechanische Auslöseeinrichtung (72, 72') des Leitungsschutzschalters (18) ein Öffnen von dessen Trennkontakten (28, 28') bewirkt. Dieser Aufbau wird nun um eine Funktionalität zum Schutz eines Stromkreises vor Lichtbögen erweitert. Mittel zum Erfassen, ob ein Lichtbogen auftritt, werden in das Fehlerstromschutzmodul (20) integriert. In dem Modul (20) wird durch eine Steuereinrichtung (58) ein Schalter (46) betätigt, durch dessen Schließen ein solcher Strom fließt, dass der Summenstromwandler (34) wie bei einem Fehlerstrom reagiert und es zu einem Auslösen der Trennkontakte (28, 28') des Leitungsschutzschalters (18) über die Auslösemechanismen (40, 72, 72') kommt.
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Die deutsche Patentschrift
DE 10 2013 219 292 B4 offenbart einen Fehlerstromschutzschalter, Kommunikationsgerät und Gateway. Fehlerstromschutzschalter (10) für elektrische Stromkreise, aufweisend ein Gehäuse (70), eine einen Mikrocontroller aufweisende Schutzschaltbaugruppe (12) zur Unterbrechung des elektrischen Stromkreises im Fehlerfall, ein als Statusanzeigevorrichtung (20) dienendes erstes lichtemittierenden Element (14), das mit der Schutzschaltbaugruppe zusammen wirkt, wobei ein erstes lichtempfindliches Element (30) vorgesehen ist, das mit der den Mikrocontroller aufweisenden Schutzschaltbaugruppe (12) zusammenwirkt, und die den Mikrocontroller aufweisende Schutzschaltbaugruppe (12) derart ausgestaltet ist, dass bei Empfang eines codierten optischen Signales der Mikrocontroller in einen Diagnose-Modus versetzt wird und über Statusinformationen hinausgehende erweiterte Informationen mittels des ersten lichtemittierenden Elementes (14) abgegeben werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Leistungsschalter der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere eine erhöhte funktionale Sicherheit mittels eines Leistungsschalters zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Leistungsschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises vorgesehen, der bei fehlender Spannung im Niederspannungsstromkreis den Niederspannungsstromkreis unterbricht, d.h. ausgelöst ist, und nur bei Anliegen einer Spannung im Niederspannungsstromkreis ein Einschalten ermöglicht. Dieser Leistungsschalter wird erfindungsgemäß durch ein Netzteil versorgt, dass mit mindestens zwei Leitern des Niederspannungsstromkreises verbunden ist, so dass eine Spannungsversorgung des Leistungsschalters aus der anliegenden Spannung des Niederspannungsstromkreises erfolgt.
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Vorgehsehen ist ein Leistungsschalter zur Unterbrechung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises,
- - mit einer Unterbrechungseinheit, zur Unterbrechung mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises, spezieller aller Phasenleiter oder aller Leiter des Niederspannungsstromkreises,
- - mit einen Netzteil, das mit mindestens zwei Leitern, insbesondere mit den Phasenleitern bzw. allen Leitern, des Niederspannungsstromkreises verbunden ist, wobei aus einer Spannungsdifferenz der mindestens zwei Leiter eine Versorgungsspannung für den Leistungsschalter erzeugt wird,
- - mit einer Sensoreinheit zur Ermittlung der Höhe des elektrischen Stromes mindestens eines Leiters des Niederspannungsstromkreises, insbesondere der Höhe jedes Phasenleiters bzw. jedes Leiters des Niederspannungsstromkreises,
- - mit einer mit der Unterbrechungseinheit, der Sensoreinheit und dem Netzteil verbundenen Steuerungseinheit, die derart ausgestaltet ist, dass bei Überschreitung von Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten ein Signal an die Unterbrechungseinheit zur Unterbrechung mindestens eines Leiters, insbesondere aller Phasenleiter oder aller Leiter, des Niederspannungsstromkreises gesendet wird,
- - dass der Leistungsschalter derart ausgestaltet ist, dass im spannungslosen Zustand des Niederspannungsstromkreises immer mindestens ein Leiter, insbesondere alle Phasenleiter oder alle Leiter, des Niederspannungsstromkreises unterbrochen ist und ein Stromfluss des Niederspannungsstromkreises durch den Leistungsschalter nur bei Vorliegen einer Niederspannung im Niederspannungsstromkreises vorgesehen ist.
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Vorteilhaft weist das Netzteil einen Transformator auf, dessen erster Anschluss der Primärwicklung mit einem Leiter verbunden ist und dessen zweiter Anschluss der Primärwicklung mit einem anderen Leiter verbunden ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Energieversorgung durch die Spannung des Niederspannungsstromkreises erfolgt. Bisher übliche Energiewandler in Leistungsschaltern, deren Primärseite durch einen Leiter des Niederspannungsstromkreises gebildet wird, können entfallen. Diese funktionieren nur dann, wenn ein Stromfluss mit Leiter vorliegt. Bei keinem bzw. geringen Stromfluss liefern diese Energiewandler keine elektrische Energie.
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Ingesamt hat dies den besonderen Vorteil, dass der Leistungsschalter einen funktional sichereren Zustand aufweist. D.h. bei sicherheitsrelevanten Störungen oder Fehlern fällt der Leistungsschalter in einen Zustand zurück, bei dem energiesenkenseitig keine Energie bzw. Spannung zur Verfügung gestellt wird. Insbesondere nach einem Spannungsausfall werden Verbraucher nicht automatisch wieder mit einer Spannung versorgt. Somit wird eine Gefährdung von Personen und Anlagen durch fehlerhafte Geräte vermieden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Unterbrechungseinheit Kontakte, insbesondere mechanische Kontakte, auf, mit der mindestens ein Leiter, insbesondere die Phasenleiter oder alle Leiter, elektrisch geöffnet oder geschlossen werden. Im Falle von Gleichspannungsstromkreisen bzw. Gleichspannungsnetzten insbesondere der nichtgeerdete Stromleiter, beispielsweise der Leiter mit positiven Potential (bei geerdetem Leiter mit negativem Potential), geöffnet oder geschlossen wird.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine galvanische Trennung des Stromkreises im geöffneten Zustand erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Netzteil ein Schaltnetzteil.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass Schaltnetzteile einerseits eine hohe Energieeffizienz aufweisen und andererseits für besonders große Eingangsspannungsbereiche ausgelegt werden können. So kann eine Energieversorgung sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Spannungen im Niederspannungsstromkreis zur Verfügung gestellt werden bzw. ein Leistungsschalter kann für verschiedene Spannungen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere sind Schaltnetzteile auch für Gleichspannungsnetze vorteilhaft, da hier kein Transformator möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensoreinheit einen Stromsensor pro Phasenleiter, insbesondere für jeden Leiter, auf. Insbesondere ist der Stromsensor als Rogowskispule, Hallsensor, AMR-Sensor oder Widerstand ausgestaltet.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine besonders einfache und genaue Strommessung in jedem Phasenleiter/Leiter vorgenommen werden kann. Insbesondere bei Gleichspannungsnetzen sind Hallsensoren, AMR-Sensoren oder Widerstände für die Strommessung von Vorteil.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Schließen des Niederspannungsstromkreises nur ein elektrischer Einschalter am Leistungsschalter vorgesehen. Dieser kann insbesondere als Drucktaster ausgestaltet sein. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Einschalten nur bei vorliegen einer elektrischen Spannung erfolgen kann. Ein mechanisches Einschalten im spannungslosen Zustand wird so verhindert, womit funktionale Sicherheit gewährleistet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Öffnen des Niederspannungsstromkreises ein mechanischer Notausschalter vorgesehen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass für Notfälle der Stromkreis mechanisch unterbrochen werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Schließen des Niederspannungsstromkreises ein Motorantrieb vorgesehen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Einschalten des Niederspannungsstromkreises nur im spannungsführenden Fall möglich ist und so ein Einschalten im spannungslosen Fall verhindert wird, womit funktionale Sicherheit gewährleistet wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens für einen Phasenleiter, insbesondere für alle Phasenleiter bzw. alle Leiter, neben dem energiequellenseitigen ein energiesenkenseitiger Spannungssensor vorgesehen, der/die mit der Steuerungseinheit verbunden ist/sind.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Spannungsabfall über der Unterbrechungseinheit festgestellt werden kann, der einen Rückschluss auf den Zustand der Unterbrechungseinheit ermöglicht, so dass eventuelle Informationen für einen Austausch der Unterbrechungseinheit, insbesondere bei solchen mit mechanischen Kontakten, vorliegen. Ferner kann geprüft werden, ob nach einem Auslösen des Leistungsschalters die energiesenkenseitige Netzseite spannungsfrei ist. So kann ein Wiedereinschalten auf eine Spannung verhindert werden oder eine synchronisiertes Einschalten erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Temperatursensoren zur Ermittlung der Temperatur der Unterbrechungseinheit sowie des Leistungsschalters vorgesehen. Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine Überwachung des Leistungsschalters erfolgen kann und bei erhöhten Temperaturen eine Auslösung des Leistungsschalters erfolgt / erfolgen kann, um Schäden zu vermeiden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine mit der Steuerungseinheit (ETU) verbundene Kommunikationseinheit (COM) vorgesehen.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass Informationen des Leistungsschalters an ein übergeordnetes Management oder Informationssystem weitergeleitet werden können.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein korrespondierendes Verfahren für einen Leistungsschalter zur Unterbrechung und Schließung eines mehrere Leiter aufweisenden Niederspannungsstromkreises beansprucht. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Vorliegen einer Spannung, insbesondere nach dem Wiedervorliegen einer Spannung des Niederspannungsstromkreises:
- - ein vorangegangener Auslösegrund ermittelt wird,
- - die Spannung des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird,
- - die ermittelte Spannung mit einem Minimalspannungsgrenzwert verglichen wird,
- - bei dessen Überschreitung und wenn der vorangegangene Auslösegrund eine Spannungsunterschreitung im Niederspannungsstromkreis war, ein Stromfluss im elektrischen Niederspannungsstromkreis ermöglicht wird.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Leistungsschalter mit funktionaler Sicherheit zur Verfügung gestellt wird, der nach einer Kurzschluss- oder Überstromauslösung, verbunden mit einem folgenden Spannungsausfall, nicht automatisch den Leistungsschalter wiedereinschaltet. Nur bei „normalen“ Spannungsausfällen wird wiedereingeschaltet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Vorliegen einer Spannung des Niederspannungsstromkreises, insbesondere Wiedervorliegen, zuerst ein Selbsttest des Leistungsschalters durchgeführt wird.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein defekter Leistungsschalter keine ungesicherte Energieversorgung zur Verfügung stellt. Somit wird dem Aspekt funktionale Sicherheit weiter Rechnung getragen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird periodisch:
- - der Strom im Niederspannungsstromkreis ermittelt wird,
- - dieser mit Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten verglichen wird,
- - die Spannung im Niederspannungsstromkreis ermittelt wird,
- - diese mit einen Unterspannungsgrenzwert verglichen wird,
- - bei Überschreiten der Strom- oder Strom-ZeitspannenGrenzwerte oder Unterschreiten des Unterspannungsgrenzwertes eine Unterbrechung des Niederstromkreises sowie eine Speicherung des Auslösegrundes erfolgt, insbesondere in einem nichtflüchtigen Speicher, wie einem EEPROM.
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Dies hat den besonderen Vorteil, dass zum einen eine permanente Überwachung des Stromkreises erfolgt und zum anderen der Auslösegrund im Leistungsschalter vorliegt.
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Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw. 17, als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Leistungsschalters zur Erhöhung der funktionalen Sicherheit.
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Die beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.
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Dabei zeigt die Zeichnung:
- 1 eine erste Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
- 2 eine zweite Darstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters,
- 3 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Erfindung,
- 4 eine Detaildarstellung,
- 5 ein erstes Ablaufdiagramm,
- 6 ein zweites Ablaufdiagramm.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Leistungsschalters LS. Dieser weist einen ersten bis vierten Leiter L1, L2, L3, N auf, wobei die ersten bis dritten Leiter L1, L2, L3 Phasenleiter eines elektrischen Stromkreises, insbesondere Niederspannungsstromkreises, sind, beispielsweise eines Dreiphasen-Wechselstromkreises. Der vierte Leiter N ist beispielsweise ein Neutralleiter des Stromkreises.
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Die vier Leiter durchlaufen den Leistungsschalter, wobei sie eingangsseitig mit einer nicht dargestellten Energiequelle verbunden sind, d.h. einen energiequellenseitigen Anschluss EQ aufweisen.
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Ausgangsseitig sind die Leiter mit einem nicht dargestellten Verbraucher bzw. einer Last verbunden, d.h. einen energiesenkenseitigen Anschluss Load aufweisen.
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Die ersten bis dritten Leiter L1, L2, L3 durchlaufen eine Unterbrechungseinheit UE, die beispielsweise mechanische oder/und elektronische Kontakte K1, K2, K3 aufweist, wobei jeweils ein Kontakt einem Leiter zugeordnet ist. Im Beispiel gemäß 1 sind drei mechanische doppeltunterbrechende Kontakte K1, K2, K3 vorgesehen, die beispielsweise durch eine Drehbewegung den Stromfluss der Leiter durch den Leistungsschalter unterbrechen oder schließen.
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Der viere Leiter N kann ebenfalls durch Kontakte unterbrochen oder geschlossen werden.
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Die Unterbrechungseinheit UE wird beispielsweise durch eine Motoreinheit M angesteuert, wobei der Motor M ausschließlich zum Schließen der Unterbrechungseinheit / Schließen der Kontakte, d.h. schließen des Stromkreises verwendet wird.
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Die Unterbrechungseinheit UE kann ferner einen Mechanismus umfassen, derart dass die geschlossenen Kontakte vorgespannt sind und durch eine kleine mechanische Bewegung, beispielsweise durch einen mit der Unterbrechungseinheit UE verbundenen Relaisschalters OS, z.B. in Form eines OFF-Solenoides, geöffnet werden können, so dass der Stromfluss der Leiter durch den Leistungsschalter unterbrochen wird.
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Ferner kann ein nicht dargestellter mechanischer Not-Aus-Ausschalter vorgesehen sein, mit der die Kontakte geöffnet bzw. der Stromfluss unterbrochen werden kann.
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Des Weiteren kann die Unterbrechungseinheit UE Positionssensoren POS aufweisen, mit der die Position der Kontakte bzw. ein unterbrochener oder geschlossener Zustand der Unterbrechungseinheit ermittelt werden kann.
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Die Unterbrechungseinheit UE bzw. dessen Steuerelemente, d.h. die Motoreinheit M zum Schließen der Unterbrechungseinheit / Kontakte und der Relaisschalter OS zum Öffnen der Unterbrechungseinheit / Kontakte, sind mit einer Steuerungseinheit ETU verbunden, beispielsweise eine electronic Trip Unit, die z.B. einen Mikroprozessor aufweist. Dabei kann die Verbindung zwischen Steuerungseinheit ETU und Unterbrechungseinheit UE respektive Motoreinheit M und Relaisschalter OS Treibereinheiten DM, DOS aufweisen, zur Verstärkung des Steuersignals bzw. Ansteuerung der Einheiten.
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Die Unterbrechungseinheit kann auch als elektronische Unterbrechungseinheit ausgeführt sein, beispielsweise mit Halbleiterschaltern. Damit entfallen mechanische Motorantriebe zum Schließen und Relaisschalter zum Öffnen. Die Steuerung einen elektronischen Unterbrechungseinheit UE kann voll elektronisch mittels Schließ- und Öffnungssignale durch die Steuerungseinheit ETU erfolgen.
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Die vier Leiter L1, L2, L3, N, mindestens jedoch die Phasenleiter L1, L2, L3, weisen jeweils einen Stromsensor I1, I2, I3, I0 auf, die eine Sensoreinheit SE bilden, die mit der Steuerungseinheit ETU verbunden ist. D.h. die Höhe der Ströme, der einen Stromsensor aufweisenden Leiter, wird an die Steuerungseinheit ETU übermittelt. Beispielsweise können die Stromsensoren Rogowskispulen sein, womit sich eine einfache und genaue Strommessung erzielen lässt.
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Die drei Phasenleiter L1, L2, L3 bzw. vier Leiter L1, L2, L3, N sind ferner mit einem energiequellenseitigen Spannungssensor US verbunden, der die Spannung der Phasenleiter untereinander oder/und der Phasenleiter zu Neutralleiter ermittelt. Dieser Spannungssensor US ist mit der Steuerungseinheit ETU verbunden, so dass die Steuerungseinheit die Höhe der Spannungen erhält.
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Des Weiteren sind mindestens zwei Leiter, insbesondere die Phasenleiter bzw. alle Leiter mit einem Netzteil VDD verbunden. Dieses erzeugt aus der Spannungsdifferenz zweier Leiter eine Versorgungsspannung für die Steuerungseinheit ETU. Optional für eventuell vorgesehene Treibereinheiten DOS, DM oder/und Motoreinheit M bzw. Relaisschalter OS respektive Unterbrechungseinheit UE.
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Die Versorgungsspannung des Netzteils VDD kann durch einen Energiespeicher Buffer, beispielsweise in Form eines Akkumulators, einer Batterie oder eines Superkondensators, bei Spannungsausfall gestützt sein.
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Die Positionssensoren POS sind ebenfalls direkt oder über eine Treibereinheit DPOS mit der Steuerungseinheit ETU verbunden.
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Die Steuerungseinheit ETU ist mit einem elektrischen Einschalter ON, beispielsweise in Form eines Drucktasters verbunden.
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An der Steuerungseinheit ETU kann ein Eingang für (externen) Unterspannugsschutz UVR, und (externe) Auslösefunktion SHT vorgesehen sein. An diese Anschlüsse können im Rahmen der Installation der Unterbrechungseinheit UE abgesetzte Not-Aus-Ausschalter in funktional sicherer Form angeschlossen werden.
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Des Weiteren kann die Steuerungseinheit ETU mit einer Kommunikationseinheit COM verbunden sein, zur Übermittlung von Daten bzw. Informationen zu einem anderen Leistungsschalter, Computer oder Überwachungs- bzw. Managementsystem sowie zur Fernsteuerung durch einen Computer bzw. ein (Management-) System.
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Der Leistungsschalter kann ferner Temperatursensoren aufweisen, insbesondere ein Temperatursensor in der Unterbrechungseinheit, spezieller ein weitere im Gerät.
Aus der aktuellen Temperatur oder Temperaturdifferenz können Probleme mit der Unterbrechungseinheit oder dem Leistungsschalter erkannt werden.
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Die Steuerungseinheit ETU kann ferner mindestens einen Ausgang Out aufweisen, beispielsweise um Informationen anzuzeigen oder Einheiten anzusteuern.
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Im Falle eines Gleichspannungsstromkreises respektive Gleichspannungsnetzes sind üblicherweise zwei Leiter vorgesehen, meist ein Plusleiter und ein Minusleiter. D.h. der Leistungsschalter führt in diesem Fall insbesondere nur zwei Leiter bzw. den Strom von zwei Leitern. Für den Fachmann ist daraus resultierende Veränderung des Leistungsschalters klar.
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Prinzipiell stehen für die vorliegende Erfindung Wechselstromanwendungen im Vordergrund, wobei bei Gleichstromanwendungen ebenfalls unterstützt werden.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung gemäß 1, mit dem Unterschied, dass drei Phasenleiter L1, L2, L3 bzw. vier Leiter L1, L2, L3, N ferner mit einem energiesenkenseitigen Spannungssensor LUS verbunden sind, der die Spannung der Phasenleiter untereinander oder/und der Phasenleiter zu Neutralleiter ermittelt. Dieser Spannungssensor LUS ist mit der Steuerungseinheit ETU verbunden, so dass die Steuerungseinheit die Höhe der Spannungen auf der Verbraucherseite LOAD erhält.
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Aus der Spannungsdifferenz zwischen energiequellenseitiger und energiesenkenseitiger Spannung kann auf die Eigenschaften der Unterbrechungseinheit, spezieller der Kontakte, geschlossen werden. Ist die Spannungsdifferenz zu groß, d.h. überschreitet sie einen Schwellwert, kann ein Warnsignal gegeben werden, um z.B. die Unterbrechungseinheit bzw. Kontakte zu tauschen.
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Ferner kann ein synchronisiertes Aufschalten auf ein Netz erfolgen, falls weitere Energiequellen Verbraucherseitig vorgesehen sind.
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3 zeigt rechts- und linkseitig je eine Darstellung mit drei Leistungsschaltern LS1, LS2, LS3, einer Energiequelle U und einem Verbraucher Load. Zwischen Energiequelle U und Verbraucher Load ist prinzipiell die Serienschaltung des ersten und zweiten Leistungsschalter LS1, LS2 dargestellt. Zwischen ersten und zweiten Leistungsschalter ist einseitig der dritte Leistungsschalter LS3 angeschlossen, an dem beispielsweise weitere Verbraucher angeschlossen sein können. Der erste Leistungsschalter LS1 ist somit der übergeordnete Leistungsschalter zum zweiten und dritten Leistungsschalter LS2, LS3. Auf der linken Abbildung in 3 ist der spannungslose Zustand im Niederspannungsstromkreis dargestellt. D.h. alle Leistungsschalter sind geöffnet, d.h. unterbrechen den elektrischen Stromkreis.
Auf der rechten Abbildung in 3 ist der spannungsführende Zustand im Niederspannungsstromkreis dargestellt. D.h. die Leistungsschalter sind geschlossen, d.h. der elektrische Stromkreis ist geschlossen.
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4 zeigt eine Detaildarstellung gemäß 1, nämlich den Anschluss zweiphasigen Netzteils VDD1 an zwei Leiter des Niederspannungsstromkreises. Wesentlich ist, dass die Energieversorgung aus der Spannung der Leiter erfolgt, nicht aus dem verbrauchererzeugten Stromfluss der Leiter (wie bisher). Deshalb ist im Beispiel gemäß 4 ein Transformator TR mit den beiden Leitern verbunden. Im Beispiel der erste primärseitige Anschluss des Transformators TR mit dem dritten Leiter L3, der zweite primärseitige Anschluss des Transformators TR mit dem zweiten Leiter L2.
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In analoger Weise kann ein Netzteil VDD aufgebaut werden, dass mit allen Leitern bzw. einer Leiterteilmenge verbunden ist. Beispielsweise ein Dreiphasennetzteil.
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5 zeigt ein erstes Ablaufdiagramm für einen erfindungsgemäßen Leistungsschalter. 5 zeigt ein Beispiel für den initialen Programmfluss, z.B. einer Firmware des Mikroprozessors/Mikrocontrollers der Steuerungseinheit ETU. Dieser wird einmal Durchlaufen, sobald die Versorgungsspannung / Spannungsversorgung durch das Netzteil VDD, z.B. Schaltnetzteil, aus der Primärspannung des Niederspannungsstromkreises sichergestellt ist.
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Nach Initialisierung des Mikrocontroller sowie aller Speicher und Register und dem Laden der Konfiguration im Schritt 100, z.B. InitHW(), wird ein Selbsttest im Schritt 110 der elektromechanischen oder/und elektronischen Komponenten durchlaufen. Treten beim Selbsttest 110 Fehler auf „false“, wird eine Fehlermeldung im Schritt 200 abgegeben.
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Wird der Selbsttest 110 ohne Fehler „true“ abgeschlossen, so kann der letzte Auslösegrund aus dem Speicher, insbesondere nichtflüchtigen Speicher, wie EEPROM, gelesen werden. Dies erfolgt im Schritt 120, z.B. loadLastTripEvent().
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Nun wird im Schritt 130 die Eingangsspannung an den Leitern / Primärleitern des Niederspannungsstromkreises gemessen (fU=measU()).
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Diese Spannung wird im Schritt 140 mit einem Minimalspannungsgrenzwert verglichen. Diese kann eine auf Basis der Anwendung konfigurierte Minimalspannung sein. Ist diese Spannung kleiner „false“ wird in einem Schritt 300 eine Hauptschleife gemäß später dargestellter und beschriebener 6 durchlaufen.
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Ist diese Spannung größer „true“ als der Minimalspannungsgrenzwert, kann ferner geprüft werden, ob ein Unterspannungssignal anliegt. Hat die letzte Abschaltung aufgrund einer Spannungsunterschreitung im Niederspannungsstromkreis bzw. Primärspannungseinbruchs (evLowVolt) stattgefunden, was im Schritt 150 geprüft wird, so kann im positiven Fall „yes“ im Schritt 160 der Stromkreis geschlossen werden, z.B. das Kontaktsystem im Leistungsschalter, z.B. mittels der Motoreinheit M, geschlossen werden. Ist der Stromkreis / das Kontaktsystem im Schritt 160 geschlossen worden, geht es weiter mit der Hauptschleife 300.
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Gegebenenfalls ist noch ein Vorspannen des Kontaktsystems über einen Zwischenschritt 170 notwendig.
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Im negativen Fall von Schritt 150 „no“ bleibt das Kontaktsystem bzw. der Stromkreis geöffnet und es geht weiter mit der Hauptschleife 300.
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Anschließend wird die Hauptschleife der Firmware fortlaufend durchlaufen.
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6 zeigt ein zweites Ablaufdiagramm für einen erfindungsgemäßen Leistungsschalter. 6 zeigt ein Beispiel für den Programmfluss der kontinuierlich durchlaufenen Hauptschleife, beispielsweise in der Firmware. Die Hauptschleife beginnt nach positivem Abschluss der Initialisierungsroutine, d.h. nach mindestens einem der Beispielsschritte gemäß 5, und überwacht permanent den Betriebszustand im Leistungsschalter sowie die Lastverhältnisse auf den Primärleitern.
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In einem Schritt 210 werden die Ströme der Leiter bzw. Primärströme gemessen (fI=measI()) und in einem Schritt 220 mit den Strom- oder Strom-Zeitspannen-Grenzwerten verglichen, z.B. Funktion calcLSI(), d.h. mit den konfigurierten Auslösekennlinien. Ergibt sich eine Überlast- oder Kurzschlusssituation „trip“, d.h. werden Strom-Zeitspannen-Grenzwerten oder Stromgrenzwerte überschritten, so erfolgt im Schritt 230 ff eine Unterbrechung des Stromkreises, z.B. löst die Firmware die Unterbrechungseinheit UE bzw. Kontakte K1, K2, K3, durch Deaktivierung (oder Aktivierung) des Relaisschalters OS aus, z.B. (setTRIP()).
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Im Schritt 240 wird das Auslöseereignis im Speicher, insbesondere nichtflüchtigen Speicher, z.B. in der Steuerungseinheit ETU, gespeichert (storeLastTripEvent()). Der Speicher kann beispielsweise ein EEPROM sein.
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Ist keine Überlast- oder Kurzschlusssituation vorhanden erfolgt im Schritt 250 eine Überwachung hinsichtlich externer Auslösesignale, wie sie beispielsweise an den Eingängen UVR und SHT der Steuerungseinheit anliegen können.
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Liegen derartige Signale an „true“, erfolgt im Schritt 230 eine beschriebene Unterbrechung.
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Andernfalls erfolgt im Schritt 260 eine Messung der elektrischen Spannung, insbesondere energiequellenseitig. Die ermittelte Spannung wird im Schritt 270 mit dem Minimalspannungsgrenzwert verglichen. Wird diese unterschritten, erfolgt eine Unterbrechung mit beschriebenen Schritt(en) 230 ff.
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Alternativ kann zusätzlich hinsichtlich der Unterschreitung einer zweiten, noch niedrigeren Basisspannungsgrenze geprüft werden. Dies ist im Schritt 310 eingezeichnet. Hier wird die Spannung mit der Basisspannungsgrenze verglichen. Diese Basisspannungsgrenze wird durch die Basisspannung zum sicheren Betrieb des internen Netzteils VDD, z.B. Schaltnetzteils, definiert. Unterschreitet die Spannung an den Leitern diese Schwelle, so kann die Arbeitsweise des Leistungsschalter, insbesondere der Steuerungseinheit ETU, nicht mehr sichergestellt werden. Wird diese Grenze unterschritten erfolgt in den Schritten 230a, 240a, die den Schritten 230 und 240 entsprechen, und 320 ein Auslösen und Reset (Schritt 320) des Leistungsschalters, um eine Fehlfunktion zu verhindern.
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Sobald die Spannung / Primärspannung wieder den sicheren Anlauf von Netzteil VDD und Steuerungseinheit ETU ermöglicht, wird die oben beschriebene Initialisierungsroutine wieder durchlaufen und ggfs. das Kontaktsystem wieder geschlossen.
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Aus Anwendungssicht ist das beschriebene Verhalten neutral, da mit massiver Unterspannung keine Last betrieben werden kann.
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Optional denkbar ist eine Verzögerung der spontanen Unterspannungsauslösung, d.h. Unterschreiten des Minimalspannungsgrenzwertes. Dies erfordert allerdings einen zusätzlichen Pufferspeicher Buffer, der auch die Energie für die zeitliche Überbrückung der permanent stromerregten Relaisspule OS aufbringen muss.
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Wird, bei implementierter Prüfung, die Basisspannungsgrenze nicht unterschritten, erfolgt im Schritt 330 eine Selbsttestfunktion, z.B. (permanente) Überwachung wichtiger elektromechanischer / elektronischer Komponenten.
Der Ausfall sicherheitsrelevanter Komponenten „false“ führt wiederum zu den Schritten 230a, 240a, 320, d.h. Reset des Leistungsschalters, da dies eine Schutzauslösung des Leistungsschalters zur Folge haben sollte.
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Ist der Selbsttest erfolgreich, kann hinsichtlich eines Einschaltens am Einschalter ON in einem Schritt 340 geprüft werden. Erfolgt ein Drücken des Einschalters, wird in Schritten 350, optional 360, und 370 der Stromkreis geschlossen, d.h. bspw. die Kontakte geschlossen. Der Schritt 360 kann ein Vorspannen des Kontaktsystems beinhalten. Die Schritte 350 oder 370 eine Aktivierung der Motoreinheit M zum Schließen des Stromkreises.
Ist der Stromkreis / das Kontaktsystem im Schritt 370 geschlossen worden, beginnt die Hauptschleife im Schritt 210 von vorn.
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Im negativen Fall von Schritt 340 „false“ bleibt das Kontaktsystem bzw. der Stromkreis geöffnet und die Hauptschleife fängt von vorn an mit Schritt 210.
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Es versteht sich von selbst, dass Veränderungen der Initialisierung und der Hauptschleife möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch mal mit anderen Worten beschrieben werden.
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Funktionale Sicherheit wird heute in fast allen Bereichen des täglichen Lebens in den unterschiedlichsten Formen gefordert (IEC 61508 sowie anwendungsspezifische Normen). Der Anwendungsbereich hat sich vor einiger Zeit aus dem klassischen Bereich höchster Sicherheit, wie beispielsweise in Atomkraftwerken sowie Luft- und Raumfahrt (SIL 4), in andere Bereiche weiterentwickelt. Heute kommen die Ideen der IEC 61508 mit etwas schwächeren Forderungen im Automobil- (ASIL) und Eisenbahnbetrieb (SIL 3) vor. Sie werden in der produzierenden Industrie sowie der verarbeitenden Industrie (z.B. in Form der Maschinenrichtlinie) angewendet.
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Ein Hauptpfeiler funktionaler Sicherheit ist die Forderung, dass alle Systeme einen funktional sicheren Zustand aufweisen müssen, in den das System bei sicherheitsrelevanten Störungen oder -fehlern selbstständig zurückfällt. Der dahinter liegende Gedanke ist die Vermeidung jeder weitergehenden Gefährdung von Personen und Umwelt durch fehlerhafte Geräte.
Die Forderung funktionaler Sicherheit ist heute auch für Energieverteilanlagen gerechtfertigt, da von unkontrollierter Einspeisung mit Leistungen im MVA Bereich ein sehr hohes Gefährdungspotential ausgeht.
Alle elektrischen Installationen haben einen Hauptschalter, z.B. in Form von Leistungs-, Last- oder Lasttrennschaltern, mit dem die Anlage vom Netz getrennt werden kann. Dies kann zu Wartungszwecken oder in Form einer Notabschaltung geschehen. In elektrischen Antrieben mit elektronischer Regel- und Steuerungstechnik wird der Lasttrennschalter heute automatisch in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Anlage und bei kritischen Anlagenstörungen betätigt. Dieser Hauptschalter ist darüber hinaus häufig mit einer anlagenunabhängigen Schutzfunktion zur Kurzschlusserkennung ausgerüstet. Entsprechende Schalter werden als Leistungsschalter bezeichnet, da diese in der Lage sind ein Vielfaches des Nennstroms zu trennen.
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Unabhängig von dem vorab beschriebenen Anlagenschutz ist bis heute der historisch gewachsene Ansatz üblich, dass Überstromschutzelemente, z.B. in Form von Sicherungen, permanent eingeschaltet sind, solange keine Überlast- oder Kurzschlusssituation erkannt wird. Dieser Ansatz ergibt sich aus dem i.d.R. rein mechanischen Konstruktionsprinzip, dass Überstromereignisse anhand von thermischen oder magnetischen Kräften erkannt werden und diese Kräfte zur Auslösung der Schutzfunktion angewendet werden. Auch alle Leistungsschalter mit elektronsicher Stromüberwachung und Auslöseeinheit (ETU) wenden das Prinzip der permanent geschlossenen Kontaktstrecke an.
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In Niederspannungsleistungsschaltern wird die Steuerungseinheit ETU häufig aus magnetisch gekoppelten Primärstromwandlern versorgt. Die Steuerungseinheit ETU kann daher nur unter Stromfluss arbeiten, woraus sich ein Problem bei der sicheren Konfiguration des Schalters ergibt. Schwerwiegender als das Konfigurationsproblem wiegt die Tatsache, dass eine potentielle Fehlfunktion wesentlicher Teile der Steuerungseinheit ETU nicht unabhängig vom Laststrom festgestellt werden kann. Im Extremfall des Einschaltens der Netzspannung auf einen hinter dem Leistungsschalter vorhandenen Kurzschluss kann die Auslösung so nicht sicher gestellt werden. Die Schutzfunktion kann versagen und muss durch die redundante Funktion in einer übergeordneten Netzebene aufgefangen werden. In der Folge hat der lokale Kurzschluss die Abschaltung eines viel größeren Netzbereichs zur Folge.
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Kern der Erfindung ist die Funktion des Kontaktsystems an die äußere Netzspannung zu koppeln. Ein elektrischer Energiefluss (Stromfluss) zu den Verbrauchern ohne Netzspannung ist nicht möglich und nicht erwünscht, da es sich bei einem etwaigen Stromfluss um einen Fehl- bzw. Leckstrom handeln muss. Daher sieht die Erfindung vor, das Kontaktsystem ohne anliegende Netzspannung in der geöffneten Stellung zu halten, siehe 1, 2 bzw. 3 - linke Seite. Aus Anwendungssicht macht diese Änderung keinen Unterschied, sondern verbessert die Situation durch die Unterbrechung von Fehlstrompfaden. Durch eine eingangsseitig anliegende Netzspannung wird die Steuerungseinheit / elektronische Auslöseeinheit ETU aktiviert. Die Steuerungseinheit ETU führt im Rahmen der Initialisierung einen Selbsttest durch und überprüft anschließend die vorhandene Situation, z.B. bzgl. Netzspannungspegel, externe Steuersignale, etc. Eine positive Verifikation der aktuellen Situation sowie die Bewertung des letzten Zustands vor dem Ausfall der Netzspannung befähigt die Firmware der Steuerungseinheit ETU das Kontaktsystem zu schließen und damit den elektrischen Energiefluss zu den Verbrauchern zu ermöglichen, siehe 3 - rechte Seite. Damit wird aus Anwendungssicht der heute übliche Zustand geschlossener Kontakte erreicht.
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Nachfolgende angeordnete Leistungsschalter der erfindungsmäßigen Art verhalten sich genauso. Sie erwachen durch die über den übergeordneten Schalter freigeschaltete Netzspannung. Diese führen die gleichen Bewertungen durch und schließen ebenfalls selbstständig ihr Kontaktsystem.
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1 vermittelt einen Überblick über das vorgeschlagene Systemdesign. 1 vereinigt beispielhaft mechanische, elektromechanische und elektronische Komponenten in schematischer Blockdarstellung.
Im Leistungsschalter LS sind je nach Netztopologie n oder (n-1) Kontaktstellen für n Leiter L1, L2, L3, N eingebaut. Diese Kontaktstellen sind im inaktiven Zustand immer, beispielsweise durch eine Federkraft, geöffnet. Pro Leiter sind eingangsseitig, d.h. z.B. energiequellenseitig, am Leistungsschalter je ein Potentialabgriff zur Spannungsmessung sowie ein Stromsensor vorhanden. Die n Potentialabgriffe sind mit n Spannungssensoren verbunden. Parallel zu den Spannungssensoren US wird die Eigenenergieversorgung der Steuerungseinheit ETU aus der Primärspannung erzeugt, z.B. mit einem Schaltnetzteil VDD. Dieses Netzteil VDD soll für einen weiten Spannungsbereich, z.B. 20% bis 150% der Spannung bzw. Nominalspannung des Niederspannungsstromkreises, ausgelegt werden. Die interne Spannungsverteilung aus dem Netzteil speist alle elektronischen und elektromechanischen Komponenten im Leistungsschalter. Ein Pufferspeicher Buffer für die interne Spannung kann zur Überbrückung kurzzeitiger Spannungseinbrüche optional vorgesehen werden.
Die Steuerungseinheit ETU weist elektronische Signalverarbeitungselemente auf, wie einen oder mehrere Mikrocontroller, die per Firmware die Signale auswerten und setzen. Dem bzw. den Mikrocontrollern stehen für die Programmausführung flüchtige Speicherelemente (RAM) zur Verfügung. Konfigurationsdaten und aktuelle Zustandsdaten der Firmware werden in einem nichtflüchtigen Speicherelement, wie einem EEPROM oder ähnlich, permanent gespeichert.
Die Messsignale der Strom- und Spannungssensoren werden der Steuerungseinheit ETU / verarbeitenden Elektronik zugeführt. Die Steuerungseinheit ETU verarbeitet zusätzlich externe Eingänge für Shunt-Trip SHT, Unterspannungsauslöser UVR und Einschaltsignal ON und bietet Statusmeldeausgänge Out.
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Der Anschluss an ein Netzwerk, wie z.B. Feldbus oder Ethernet, z.B. durch ein Kommunikationsmodul COM, eröffnet weitere digitale Steuerungs- und Meldepfade. Alle eingehenden Signale werden z.B. in Firmware durch den oder die Mikrocontroller der Steuerungseinheit ETU verarbeitet. Die Firmware steuert zusätzlich die Motoreinheit M / den Motorantrieb zum Schließen der Kontakte bzw. Vorspannen des Kontaktsystems. Der Motorantrieb M wird elektronisch geregelt und aus dem Schaltnetzteil an den Primärleitern versorgt. Weiterhin steuert die Firmware eine Relaisschalter OS, wie einen elektromechanischen Spulenantrieb über einen elektronischen Spulentreiber, der ebenfalls aus dem Netzteil VDD versorgt wird. Dieser Relaisschalter schließt das Kontaktsystem oder hält das Kontaktsystem geschlossen, solange der Relaisschalter mit Energie versorgt wird, z.B. per Stromfluss erregt wird. Unterbricht der Stromfluss zum Relaisschalter, so öffnet das Kontaktsystem / die Unterbrechungseinheit selbstständig, z.B. per Federkraft und unterbricht mindestens einen, einen Teil oder alle Leiter, so dass der Stromfluss im Niederspannungsstromkreis unterbrochen wird.
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Die Lage wesentlicher beweglicher Teile in der Unterbrechungseinheit / Kontaktsystem und im Motor- bzw. Federantrieb kann durch Positionssensoren POS bestimmt werden und zur Steuerungseinheit übertragen, sowie dort, z.B. in Firmware, verarbeitet werden.
Positionsabhängige Zustände und auch Fehlerfälle können so, z.B. per Firmware, erkannt und behandelt werden.
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Der Leistungsschalter hat keinen mechanisch wirkenden Einschalter. Ein Einschalter, wie ein Druckknopf oder Drucktaster, am Leistungsschalter arbeitet nur als elektrischer Schließkontakt für den elektronischen ON-Eingang.
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Ein mechanisch wirkender Ausschalter ist vorgesehen, da diesem eine redundante (Not-)Ausschaltfunktion zukommt.
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Der Ausschalter kann parallel auch als Schließkontakt für das elektronische SHT-Signal, als Öffner für das elektronische UVR-Signal oder anderweitig per Meldekontakt an die Steuerungseinheit ETU ausgeführt werden.
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Das beschriebene elektromechanische Design stellt die z.B. Firmware, die auf dem Mikrokontroller der Steuerungseinheit ETU verarbeitet werden kann, in den Mittelpunkt der gesamten Funktionskette. Außer der mechanischen (Not-)Ausfunktion existiert keine Steuerungsmöglichkeit für das Kontaktsystem, die nicht per Steuerungseinheit bzw. Firmware gesteuert und kontrolliert wird. Nur die Steuerungseinheit / Firmware steuert alle Aktivitäten und ist somit sicherheitsrelevant zu implementieren. Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit mittels der Steuerungseinheit / Firmware „eigenständige“ Handlungsoptionen auszuführen. So kann die Firmware das Kontaktsystem nicht nur - wie heute üblich - öffnen/auslösen sondern auch schließen, wenn die Betriebssituation dies zulässt.
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Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Leistungsschalter mit der Eigenschaft, dass dieser den Zustand der Netzspannung an der Einspeiseseite überwacht und bei Spannungsausfall (=Unterschreiten eines Minimalspannungsgrenzwerts bzw. minimalen Spannungsschwelle) das Kontaktsystem ausgelöst, sowie bei Erreichen der Betriebsspannung wieder selbstständig schließt, insbesondere sofern die vorangegangene Öffnung des Kontaktsystems durch Spannungsausfall verursacht wurde sowie insbesondere keine anderen Zustände dies verhindern.
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Die Überwachung der Netzspannung erfolgt über Spannungssensoren in der elektronischen Auslöseeinheit.
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Die Steuerungseinheit ETU wird aus der Netzspannung über ein Weitbereichs(schalt)netzteil versorgt.
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Ein Pufferspeicher Buffer ist optional in der elektronischen Auslöseeinheit implementiert, zur Überbrückung kurzzeitiger Spannungseinbrüche.
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In der Steuerungseinheit ETU wird der Auslösegrund dauerhaft gespeichert. Der Auslösegrund wird bei (Wieder-)Anlauf der Steuerungseinheit ETU geladen. Die elektronische Entscheidung zum selbstständigen Schließen des Kontaktsystems erfolgt anhand der Bewertung der aktuellen Netzspannung, der Zustände äußerer Steuer- und Kommunikationskanäle sowie dem letzen Auslösegrund.
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Das selbstständige Schließen des Kontaktsystems ist/kann zeitlich einstellbar verzögert werden.
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Ein (Not-)Ausschalter arbeitet redundant zur elektronischen Auslöseeinheit und blockiert das Schließen des Kontaktsystems.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in der Einführung der Prinzips „Funktionaler Sicherheit“ in Niederspannungsleistungsschalter. Dabei wird besonderer Wert auf den funktional sicheren Grundzustand gelegt. Nur der Zustand mit geöffnetem Kontaktsystem kann als funktional sicher gelten, denn eine Fehlfunktion sicherheitsrelevanter Komponenten im Leistungsschalter könnte andernfalls die Auslösung verhindern. Erfordert eine Anwendung im Feld, dass der sichere Zustand ein geschlossenes Kontaktsystem erzwingt, dann bedeutet dies für den Anlagenentwurf, dass dies nur mit redundanten Leistungsschaltern möglich ist, da der Ausfall einer kritischen Komponente „Leistungsschalter“ durch die parallel betriebene Komponente aufgefangen werden muss.
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Das elektromechanische Gesamtdesign ist soweit vereinfacht, dass nur noch die Steuerungseinheit ETU bzw. deren Firmware alle sicherheitsrelevanten Bedingungen kontrolliert und steuert. Parallele Schaltoptionen sind konsequent eliminiert. Die ETU und deren Firmware muss daher sicherheitsrelevant implementiert werden:
- Nur noch eine elektromechanische Komponente zur Steuerung → Relaisschalter, z.B. als Bereitschaftspule.
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Die Eliminierung redundanter Schaltelemente bietet folgende Vorteile:
- Vereinfachung des mechanischen Designs (→ Kosteneinsparung in Entwicklung und Produktion).
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Kosteneinsparung: Entfall separater SHT, UVR und ON Solenoide, da deren Funktion durch die Steuerungseinheit ETU übernommen wird.
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Die Eigenversorgung aus der eingangsseitigen Netzspannung bietet folgende Vorteile:
- Entfall der komplizierten, höchst ineffizienten und teuren Stromwandler für die Eigenversorgung.
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Betriebsbereitschaft der Steuerungseinheit ETU für alle Spannungen oberhalb einer Minimalspannung unabhängig vom Lastzustand, d.h. insbesondere auch bei geöffnetem Kontaktsystem. Damit ist die Steuerungseinheit ETU i.d.R. kommunikationsfähig, ohne eine externe Versorgung über 24V Hilfsspannung o.ä. zur Verfügung zu stellen.
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Energiemonitoring basierend auf dieser Eigenversorgung benötigt keine Hilfsspannung mehr.
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Ohne ausreichende Primärspannung kann das Kontaktsystem nicht geschlossen werden. Damit sind die Geräte auf der Lastseite vor Unterspannung geschützt.
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Zusammen mit dem geänderten elektromechanischen Design ergeben sich folgende Vorteile:
- Bei Ausfall der Primärspannung oder unterschreiten einer Unterspannungsschwelle auf einer oder mehreren Phasen öffnet sich das Kontaktsystem und schützt die Last vor Phasenausfall.
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Das Einschalten der Netzspannung auf ein geschütztes Teilnetz mit Kurzschluss ist prinzipiell nicht möglich → Entfall aller Risiken und Schutzmaßnahmen zur Behandlung dieses kritischen Testfalls.
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Ein elektrischer Fehler im Relaisschalter, z.B. Bereitschaftsspule, löst den Leistungsschalter aus, d.h. der sichere Zustand wird selbstständig erreicht. (Heute führt ein elektrischer Fehler im Auslösemagnet zum Versagen der Schutzfunktion.)
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Durch die automatische Abschaltung des Leistungsschalters / Öffnen des Kontaktsystems bei (Primär-)Spannungsausfall ergibt sich für die Anwendung bzw. für den Netzbetreiber der Vorteil, dass das Netz im lastfreien Zustand angefahren werden kann.
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Die Last wird vor den Einschaltschwingungen des Umspanntransformators geschützt.
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Eine Stromversorgung aus Verbrennungsmotor und Generator wird vor der sofortigen Überlastung im Motor- bzw. Generatoranlauf geschützt. Der heute zum Generatoranlauf notwendige Trennschalter entspricht dem hier vorgestellten Konzept und inkludiert die unabhängige Kurzschlussüberwachung.
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Diese Erfindung offenbart einen neuen Ansatz für das Systemdesign von Niederspannungsschutzschaltern. Es kombiniert die Schaltfunktion mit der Schutzfunktion und stellt die Aspekte der Funktionalen Sicherheit in den Vordergrund.
