WO2010094548A1 - Elektrische schutzeinrichtung und steuerungsverfahren der elektrischen schutzeinrichtung - Google Patents

Elektrische schutzeinrichtung und steuerungsverfahren der elektrischen schutzeinrichtung Download PDF

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WO2010094548A1
WO2010094548A1 PCT/EP2010/051137 EP2010051137W WO2010094548A1 WO 2010094548 A1 WO2010094548 A1 WO 2010094548A1 EP 2010051137 W EP2010051137 W EP 2010051137W WO 2010094548 A1 WO2010094548 A1 WO 2010094548A1
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WO
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protective
current
protection device
electrical
elements
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PCT/EP2010/051137
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Inventor
Thomas Rothmayer
Harald Schweigert
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/025—Disconnection after limiting, e.g. when limiting is not sufficient or for facilitating disconnection

Definitions

  • the invention relates to an electrical protective device for the arrangement between at least one consumer and a power supply, wherein this protective device has a Strombegrezungs- and a shutdown function. Furthermore, the invention relates to a control method of the electrical protective device.
  • Electrical protective devices are used wherever accidents within an electrical system can endanger people and / or machines.
  • an electrical protection device in the supply of a consumer or more consumers by means of a power supply, it requires an electrical protection device. This is arranged between the power supply and the consumer (s) to reduce the current through the consumer (s) in the event of a fault and to shut it off if the fault persists.
  • each load branch makes sense to secure with an electrical protective device. If a fault occurs in a load branch, it is current-limited or switched off, without jeopardizing the supply of the remaining load branches. Without such a protective device, a faulty load branch loads the power supply beyond the intended load current.
  • the power supply in particular a switched-mode power supply, then optionally transitions itself into a current-limiting mode and switches off when the fault persists. All load branches are then de-energized. The same thing happens when the loads at the output of the
  • Power supply are each protected by means of an upstream, mechanical circuit breaker, as a such a significant overcurrent needed to trigger. This overcurrent can often no longer supply the power supply in addition to the supply of the remaining loads.
  • the type of application of the generic electrical protective devices entails that they must be present with different current limit values specified as tripping limits.
  • each load branch thus comprises an electrical protection device with a respective different current limit value.
  • there is only one load branch which, as a result of changed production conditions, comprises once more and once fewer consumers. Even in such a case, electrical protective devices with different current limits must be used.
  • the invention has for its object to provide an improvement over the prior art for an electrical protective device of the type mentioned.
  • the protective device is formed from a plurality of current-limiting or disconnecting protective elements, the outputs of which are connected in parallel.
  • a simple measure is specified to secure a load branch or multiple load branches with the respective required current limit.
  • the respective current limit results from the sum of the partial current limits of the protective elements connected in parallel on the output side.
  • a protective device comprises, for example, a selectable number of protective elements which, in total, necessitate the load required for a connected load Provide protection without being over-dimensioned. It is also possible to subdivide the protective device into several protective device blocks in order to create a number of separate, parallel safety channels for different loads or load branches in this way. Different levels of protection elements are connected together on the output side for different loads. The respective interconnected protective elements form a block with the required protection protection for each connected load.
  • the corresponding control method provides that a protective element, upon reaching an assigned predetermined partial current limit value, limits the current through the protective element until a critical parameter of the protective element exceeds a predetermined maximum value and shuts off the protective element.
  • the load current through the protective elements connected in parallel thus always divides in normal operation so that none of the protective elements flows a current greater than the partial current limit value.
  • the current is reduced by this protective element.
  • the current increases through the other protective elements connected in parallel with this protective element. In this way, tolerances of the individual protection elements are compensated.
  • each protective element has a fixed partial current limit, so that the protective elements are simple in construction and therefore inexpensive to manufacture.
  • a current limit value of the protective device or of a protective device block is formed as the sum of equally large partial current limit values of the parallel-connected protective elements.
  • different protective devices or protective device blocks can be selected graded current limits.
  • load branches with a wide variety of powers can be protected without overdimensioning the protective device.
  • a simple embodiment is carried out in such a way that the protective elements of the protective device are connected on the output side by means of a connecting comb. A complex wiring in a control box is thus eliminated.
  • the connecting comb is soldered to the outputs of the protective elements, so that a secure and predictable contact between the individual outputs of the protective elements is given.
  • the connecting comb between the protective elements has at least one manually separable separation point, in particular a predetermined breaking point.
  • the protective device comprises a preselectable number of protective elements, which are already connected on the output side. As part of an installation, the protective device is divided into several as needed
  • Each of the resulting protector blocks comprises the number of protective elements required to protect a connected load branch.
  • Another embodiment provides that the protective device is installed in the power supply. This simplifies the installation, especially in a control box.
  • each protective element comprises a drive unit and a current limiting element with a variable volume resistance.
  • the volume resistance is determined by means of the drive unit as a function of the current flowing through the current limiting element current.
  • the control then takes place, for example, in the form that the passage channel of a protection element that has arrived at the partial flow limit value becomes slightly higher impedance.
  • the abregelde protective element builds only so much more resistance that the tolerances of the protective elements are compensated.
  • the voltage is detected at each output of a protection element and that upon reaching a predetermined voltage drop value, the protection element concerned limits the current through the protection element for a predetermined limitation period and that the protection element switches off after a lapse of the limitation period.
  • a timer is thus started only after a clear drop in the voltage at the output of all parallel-connected protection elements, so that minor disturbances or an uneven distribution of the load current does not lead to shutdown.
  • Chip temperature of the respective protective element detected. In this way, it is ensured that the protective device or a relevant protector block only turns off when the thermal load due to a Abregelvorgangs is too large.
  • Fig. 1 circuit construction of a protective device with two consumer branches
  • Fig. 1 is a protective device SCH with several
  • a first consumer or consumer branch V1 is connected to the first protective device block BI1 and a second consumer or consumer branch V2 is connected via the second protective device block B12 to a supply voltage U of a power supply.
  • Each protective element El ... En comprises a current limiting element Tl ... Tn and a Current detection unit II ... In.
  • the respective current limiting element Tl... Tn is designed, for example, as a transistor and the respective current detection unit II... In is designed as a current transformer.
  • the current flow through the current limiting element Tl ... Tn is controlled as a function of the respectively detected current.
  • Each drive unit Al ... An is a partial current limit specified.
  • the partial current limit values of the protection elements El, E2, E3 and E4... En which are connected on the output side in total produce the current limit value of the respective block BI1 or B12.
  • the control units Al ... An are either constructed analogously or designed as a microcontroller.
  • Each current limiting element Tl ... Tn is another
  • the functioning of the protective device SCH is explained with reference to the first protective device block BI1.
  • the consumer or consumer branch Vl is connected to an output terminal KIl of the block BIl.
  • the other two output terminals K12, K13 remain free when the output side connection is made by means of a connecting comb Ka.
  • a first connection comb portion KaI connects the outputs of the first block BI1
  • a second connection comb portion Ka2 connects the outputs of the second block B12.
  • an output-side connection via the corresponding terminals KIl, K12, K13 or K14 ... Kln done by wire bridges.
  • each output terminal KIl ... KIn must be designed for the maximum possible current limit value.
  • the load current drawn by the consumer or load branch V 1 will not reach the current limit value of the block BI 1.
  • the load current then divides according to the volume resistances on the three protective elements El, E2, E3. Tolerances can lead to a protective element El or E2 or E3 reaching its partial current limit value.
  • the respective control unit A1 or A2 or A3 then regulates the current flowing through this protective element E1 or E2 or E3, so that correspondingly more current flows through the other two protective elements E1, E2 or E2, E3 or E1, E3 ,
  • the chip temperature of the respective current limiting element Tl, T2, T3 is used. If the maximum chip temperature of a protective element El or E2 or E3 is reached, this switches off. As a result, the protective elements El, E2 or E2, E3 or El, E3 connected in parallel must assume the overload. If the maximum permissible chip temperature is exceeded, these also switch off.
  • overloads are allowed only for a predetermined period of time.
  • a timer can only be started after a clear drop in the voltage at the output of the parallel-connected protection units El, E2, E3.
  • a sequential sampling of the individual protective element output voltages is to be carried out by means of a higher-level control unit, since this control unit is not aware of which protective units El ... En are connected in parallel. From the output voltages is closed to the thermal load of the current limiting elements Tl, T2, T3.
  • the respective block BI1 is switched off, for example by means of the higher-level control unit to the Control units Al, A2, A3 a shutdown signal is transmitted.
  • a subsequent switch-on process cooling-down times to limit the component temperatures must be taken into account.
  • reset all timers by means of a manually triggered reset. The reset is disabled until either a predetermined switch-off time has expired or a critical parameter falls below a specified switch-on value.
  • a further embodiment provides that the voltage drop is detected at the respective current limiting element T2, T2, T3.
  • the ambient temperature can additionally be detected. At lower ambient temperatures, the permissible load duration is extended. When detecting the respective chip temperature, however, the ambient temperature is already taken into account.
  • a connecting comb Ka Such is shown in Fig. 2 and is electrically connected by means of appropriate connections with the outputs of the protective elements (El ... En). Conveniently, this is done by soldering appropriate Lötfahen in a printed circuit board LP. Each solder tag is connected to a protective element output. With such a connection comb Ka between the individual protective elements El ... En correspondingly large cable cross-sections, so that a large number of protective elements El ... En can be connected in parallel. In addition, the installation effort is reduced significantly, especially when between the protective elements El ... En manually separable separation points Br are provided, preferably designed as predetermined breaking points. According to the consumers or consumer branches Vl, V2, the connecting comb Ka is interrupted at such a separating point Br, so that the connecting comb Ka is divided into a plurality of connecting comb sections KaI, Ka2.
  • the connecting comb Ka for example, separators TS, which allow to initiate a torque in the region of the separation points Br.
  • cold work hardening occurs in the region of these separating points Br and, as a consequence, a desired break occurs on both sides of the separating piece TS.
  • the separators TS only as detachable parts. It must be ensured in every case that the separators TS have an appropriate size, so that they do not accidentally fall through louvers of a device housing. This can be achieved in that the separators TS are formed in comparison to the other line cross-section either as a larger flat parts or as larger curved parts.
  • the connecting comb Ka can also cover a colored mark. This is released when breaking out of a separator TS to clearly indicate which protective elements El ... En connected or separated from each other.
  • Protective device is voltage-free. For this purpose, for example, provide a cover that can only be opened when the protection device is switched off.
  • the connecting comb is made partially insulated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung (SCH) zur Anordnung zwischen zumindest einem Verbraucher (V1, V2 ) und einer Stromversorgung, wobei diese Schutzeinrichtung (SCH) eine Strombegrezungs- und eine Abschaltfunktion aufweist. Dabei ist die Schutzeinrichtung (SCH) aus mehreren strombegrenzenden bzw. abschaltenden Schutzelementen (E1... En) gebildet, deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren der elektrischen Schutzeinrichtung (SCH).

Description

Elektrische Schutzeinrichtung und Steuerungsverfahren der elektrischen Schutzeinrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung zur Anordnung zwischen zumindest einem Verbraucher und einer Stromversorgung, wobei diese Schutzeinrichtung eine Strombegrezungs- und eine Abschaltfunktion aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Steuerungsverfahren der elektrischen Schutzeinrichtung.
Elektrische Schutzeinrichtungen finden überall dort Anwendung, wo Störfälle innerhalb einer elektrischen Anlage zu einer Gefährdung von Mensch und/oder Maschine führen können. Insbesondere bei der Versorgung eines Verbrauchers oder mehrerer Verbrauchern mittels einer Stromversorgung bedarf es einer elektrischen Schutzeinrichtung. Diese wird zwischen die Stromversorgung und den bzw. die Verbraucher angeordnet, um bei einer Störung den Strom durch den bzw. die Verbraucher zu reduzieren und bei fortdauernder Störung abzuschalten .
Vor allem bei Stromversorgungen zur Versorgung mehrerer Lastzweige ist es sinnvoll, jeden Lastzweig mit einer elektrischen Schutzeinrichtung abzusichern. Kommt es in einem Lastzweig zu einer Störung, wird dieser strombegrenzt oder abgeschaltet, ohne die Versorgung der übrigen Lastzweige zu gefährden. Ohne eine solche Schutzvorkehrung belastet ein fehlerhafter Lastzweig die Stromversorgung über den vorgesehenen Laststrom hinaus. Die Stromversorgung, insbesondere ein Schaltnetzteil, geht dann gegebenenfalls selbst in einen strombegrenzenden Modus über und schaltet bei fortdauernder Störung ab. Alle Lastzweige sind dann stromlos. Dasselbe geschieht, wenn die Lasten am Ausgang der
Stromversorgung jeweils mittels eines vorgeschalteten, mechanischen Leitungsschutzschalters abgesichert sind, da ein solcher einen deutlichen Überstrom benötigt, um auszulösen. Diesen Überstrom kann die Stromversorgung oft nicht mehr zusätzlich zur Versorgung der restlichen Lasten liefern.
Die Art der Anwendung der gattungsgemäßen elektrischen Schutzeinrichtungen bringt es mit sich, dass diese mit unterschiedlichen als Auslösegrenzen vorgegebenen Stromgrenzwerten vorliegen müssen. Insbesondere bei Industrieanlagen ist es die Regel, dass mittels einer Stromversorgung mehrere Lastzweige unterschiedlicher Leistung versorgt werden. Jeder Lastzweig umfasst somit eine elektrische Schutzeinrichtung mit einem jeweils unterschiedlichen Stromgrenzwert. Es kommt bei Industrieanlagen auch vor, dass nur ein Lastzweig vorliegt, der infolge geänderter Produktionsbedingungen einmal mehr und einmal weniger Verbraucher umfasst. Auch in einem solchen Fall müssen elektrische Schutzeinrichtungen mit unterschiedlichen Stromgrenzwerten zum Einsatz kommen.
Aus der WO 01/41277 A2 und der EP 0933849 Al kennt man beispielsweise eine elektrische Schutzeinrichtung für Stromversorgungen mit mehreren Lastzweigen. Dabei wird für jeden Lastzweig in die Verbindungsleitung zwischen der Stromversorgung und der Last ein Halbleiterschalter mit Einstellmöglichkeit, ein Strommesselement und eine Auswertebzw. Regelelektronik in Form von Operationsverstärkern geschaltet. Die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Halbleiterschalters ist auf einen definierten Nennstrom ausgelegt. Bei einem Anschluss kleinerer Verbraucher wird die Auslösegrenze auf einen geringeren Wert als dieser Nennstrom eingestellt. Dadurch kommt es oft zu dem unerwünschten Fall, dass die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Halbleiterschalters und der jeweiligen Ansteuerschaltung nicht ausgenützt wird. Eine solche Lösung führt also in der Regel zu einer Überdimensionierung der elektrischen
Schutzeinrichtung mit einer schlechten Kosten-Nutzen- Relation . Nach dem Stand der Technik kennt man deshalb auch elektrische Schutzeinrichtungen, die für einzelne Lastzweige vorgesehen sind. Dabei wird eine Überdimensionierung verhindert, indem Produktreihen mit feinen Nennstrom-Abstufungen angeboten werden. In jeden Lastzweig wird somit die entsprechende elektrische Schutzeinrichtung mit dem benötigten Nennstrom geschaltet. Nachteilig ist hier ein erforderlicher hoher Lagerhaltungsaufwand.
Eine weitere bekannte elektrische Absicherung sieht vor, dass in jedem Lastzweig ein Tiefsetzsteller angeordnet ist, welcher im Normalbetrieb durchschaltet und nur im Störfall in einem Strombegrenzungsmode taktet. Die AT 504 528 A beschreibt eine solche Lösung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine elektrische Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche 1 und 9 und durch vorteilhafte Ausprägungen gemäß den Unteransprüchen.
Dabei ist die Schutzeinrichtung aus mehreren strombegrenzenden bzw. abschaltenden Schutzelementen gebildet, wobei deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Auf diese Weise ist eine einfache Maßnahme angegeben, einen Lastzweig oder mehrere Lastzweige mit dem jeweils erforderlichen Stromgrenzwert abzusichern. Der jeweilige Stromgrenzwert ergibt sich dabei aus der Summe der Teilstromgrenzwerte der ausgangsseitig parallel geschalteten Schutzelemente .
Eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung umfasst dabei beispielsweise eine wählbare Anzahl an Schutzelementen, die in Summe den für eine angeschlossene Last erforderlichen Absicherungsschutz bewirken, ohne dabei überdimensioniert zu sein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Schutzeinrichtung in mehrere Schutzeinrichtungsblöcke zu unterteilen, um auf diese Weise mehrere getrennte, parallel arbeitende Sicherungskanäle für verschiedene Lasten bzw. Lastzweige zu schaffen. Dabei werden für unterschiedliche Lasten unterschiedlich viele Schutzelemente ausgangsseitig miteinander verbunden. Die jeweils miteinander verbunden Schutzelemente bilden einen Block mit dem erforderlichen Absicherungsschutz für die jeweils angeschlossene Last.
Das entsprechende Steuerungsverfahren sieht vor, dass ein Schutzelement bei Erreichung eines zugeordneten vorgegebenen Teilstromgrenzwertes den Strom durch das Schutzelement begrenzt, bis ein kritischer Parameter des Schutzelements einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet und das Schutzelement abschaltet. Der Laststrom durch die parallel geschalteten Schutzelemente teilt sich somit im Normalbetrieb immer so auf, dass durch keines der Schutzelemente ein Strom größer dem Teilstromgrenzwert fließt. Bei Erreichung eines Teilstromgrenzwertes eines Schutzelements wird der Strom durch dieses Schutzelement reduziert. Im gleichen Ausmaß steigt der Strom durch die übrigen parallel zu diesem Schutzelement geschalteten Schutzelemente. Auf diese Weise werden Toleranzen der einzelnen Schutzelemente ausgeglichen.
Eine vorteilhafte Ausprägung der Erfindung sieht vor, dass jedes Schutzelement einen fixen Teilstromgrenzwert aufweist, sodass die Schutzelemente einfach aufgebaut und daher billig in der Herstellung sind.
Dabei ist es von Vorteil, wenn ein Stromgrenzwert der Schutzeinrichtung oder eines Schutzeinrichtungsblocks als Summe gleich großer Teilstromgrenzwerte der parallel geschalteten Schutzelemente gebildet ist. Somit werden mittels baugleicher Schutzelemente unterschiedliche Schutzeinrichtungen bzw. Schutzeinrichtungsblöcke mit wählbar abgestuften Stromgrenzwerten zusammengesetzt. Mit nur einer Schutzelementausführung sind Lastzweige mit unterschiedlichsten Leistungen absicherbar, ohne dass eine Überdimensionierung der Schutzeinrichtung auftritt.
Eine einfache Ausführung ist in der Weise ausgeführt, dass die Schutzelemente der Schutzeinrichtung ausgangsseitig mittels eines Verbindungskamms verbunden sind. Eine aufwendige Verdrahtung in einem Schaltkasten entfällt somit.
Vorteilhafterweise ist der Verbindungskamm mit den Ausgängen der Schutzelemente verlötet, sodass eine sichere und berechenbare Kontaktierung zwischen den einzelnen Ausgängen der Schutzelemente gegeben ist.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der Verbindungskamm zwischen den Schutzelementen jeweils zumindest eine manuell trennbare Trennstelle, insbesondere eine Sollbruchstelle, aufweist. Die Schutzeinrichtung umfasst dabei eine vorwählbare Anzahl an Schutzelementen, die ausgangsseitig bereits verbunden sind. Im Zuge einer Installation wird die Schutzeinrichtung je nach Bedarf in mehrere
Schutzeinrichtungsblöcke aufgeteilt, indem eine Unterbrechung einer Verbindung oder mehrerer Verbindungen zwischen jeweils zwei Schutzelementen erfolgt. Dabei umfasst jede der resultierenden Schutzeinrichtungsblöcke die Anzahl an Schutzelementen, die zur Absicherung eines angeschlossenen Lastzweigs erforderlich sind.
In einer günstigen Variante weist der Verbindungskamm zwischen den Schutzelementen jeweils ein sperrig geformtes Trennstück auf, welches manuell aus dem Verbindungskamm heraustrennbar ist. Das Trennstück wird zur Trennung des Kamms herausgelöst, wobei die sperrige Form bewirkt, dass das Trennstück nicht versehentlich durch Lüftungsschlitze in ein naheliegenden Gerätegehäuses fällt. Zudem ist es günstig, unterhalb einer Trennstelle bzw. eines Trennstücks eine Markierung vorzusehen, die eine Kammtrennung anzeigt, indem die Markierung nach einem Trennvorgang sichtbar wird.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass die Schutzeinrichtung in die Stromversorgung eingebaut ist. Damit wird die Installation insbesondere in einem Schaltkasten zusätzlich vereinfacht .
In einer Ausprägung der Erfindung umfasst jedes Schutzelement eine Ansteuerungseinheit und ein Strombegrenzungselement mit einem variablen Durchgangswiderstand. Dabei ist der Durchgangswiderstand mittels der Ansteuerungseinheit in Abhängigkeit des durch das Strombegrenzungselement fließenden Stromes bestimmt. Die Steuerung erfolgt dann beispielsweise in der Form, dass der Durchleitkanal eines an den Teilstromgrenzwert angelangten Schutzelements geringfügig hochohmiger wird. Dabei baut das abregelnde Schutzelement nur soviel mehr Widerstand auf, dass die Toleranzen der Schutzelemente kompensiert werden.
In einer Weiterentwicklung des Steuerungsverfahrens ist vorgesehen, dass an jedem Ausgang eines Schutzelements die Spannung erfasst wird und dass bei Erreichung eines vorgegebenen Spannungsabfallwertes das betreffende Schutzelement den Strom durch das Schutzelement für eine vorgegebene Begrenzungszeitspanne begrenzt und dass das Schutzelement nach einem Ablauf der Begrenzungszeitspanne abschaltet. Ein Zeitglied wird also erst nach einem eindeutigen Abfall der Spannung am Ausgang aller parallel geschalteter Schutzelemente gestartet, sodass geringfügige Störungen oder eine ungleichmäßige Verteilung des Laststromes nicht zur Abschaltung führen.
Dabei ist es des Weiteren von Vorteil, wenn nach einer Abschaltung alle Schutzelemente zurückgesetzt werden, sobald eine vorgegebene Ausschaltzeitspanne abgelaufen ist und/oder ein kritischer Parameter des jeweiligen Schutzelements unterhalb eines vorgegebenen Einschaltwertes fällt. Es werden beispielsweise alle Zeitglieder zurückgesetzt, sodass alle Schutzelemente unabhängig vom momentanen Schaltzustand wieder denselben Ausgangszustand annehmen. Dadurch können beliebige Schutzelementausgänge miteinander verschaltet und über einen gemeinsamen Reset wieder aktiviert werden.
Als kritischer Parameter wird günstigerweise eine
Chiptemperatur des jeweiligen Schutzelements erfasst. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Schutzeinrichtung bzw. ein betreffender Schutzeinrichtungsblock erst dann abschaltet, wenn die thermische Belastung infolge eines Abregelvorgangs zu groß wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Schaltungsaufbau einer Schutzeinrichtung mit zwei Verbraucherzweigen
Fig. 2 Verbindungskamm mit Trennstellen
In Fig. 1 ist eine Schutzeinrichtung SCH mit mehreren
Schutzelementen El... En dargestellt. Dabei sind die ersten drei Schutzelemente El, E2, E3 zu einem ersten
Schutzeinrichtungsblock BIl und die restlichen Schutzelemente E4...En zu einem zweiten Schutzeinrichtungsblock B12 zusammengefasst . Ein erster Verbraucher bzw. Verbraucherzweig Vl ist über den ersten Schutzeinrichtungsblock BIl und ein zweiter Verbraucher bzw. Verbraucherzweig V2 ist über den zweiten Schutzeinrichtungsblock B12 an eine Speisespannung U einer Stromversorgung angeschlossen.
Jedes Schutzelement El... En umfasst ein Strombegrenzungselement Tl... Tn und eine Stromerfassungseinheit II... In. Das jeweilige Strombegrenzungselement Tl... Tn ist beispielsweise als Transistor und die jeweilige Stromerfassungseinheit II... In als Stromwandler ausgebildet. Mittels einer jeweiligen Ansteuerungseinheit Al... An wird der Stromfluss durch das Strombegrenzungselement Tl... Tn in Abhängigkeit des jeweils erfassten Stromes gesteuert. Jeder Ansteuerungseinheit Al... An ist ein Teilstromgrenzwert vorgegeben. Die Teilstromgrenzwerte der jeweils ausgangsseitig verbundenen Schutzelemente El, E2, E3 bzw. E4...En ergeben in Summe den Stromgrenzwert des jeweiligen Blocks BIl bzw. B12. Die Ansteuerungseinheiten Al... An sind entweder analog aufgebaut oder als Mikrocontroller ausgebildet.
Jedem Strombegrenzungselement Tl... Tn ist eine weitere
Sicherung Sl... Sn aus Brandschutzgründen vorgeschaltet. Dabei handelt es sich entweder um eine Schmelzsicherung oder um einen Leitungsschutzschalter.
Die Funktionsweise der Schutzeinrichtung SCH wird anhand des ersten Schutzeinrichtungsblocks BIl erläutert. Der Verbraucher bzw. Verbraucherzweig Vl ist an eine Ausgangsklemme KIl des Blocks BIl angeschlossen. Die beiden anderen Ausgangsklemmen K12, K13 bleiben frei, wenn die ausgangsseitige Verbindung mittels eines Verbindungskamms Ka erfolgt. Dabei verbindet ein erster Verbindungskammabschnitt KaI die Ausgänge des ersten Blocks BIl und ein zweiter Verbindungskammabschnitt Ka2 die Ausgänge des zweiten Blocks B12. Alternativ dazu kann eine ausgangsseitige Verbindung über die entsprechenden Klemmen KIl, K12, K13 bzw. K14...Kln mittels Drahtbrücken erfolgen.
Im Falle einer Verbindung mittels Verbindungskamm Ka muss jede Ausgangsklemme KIl... KIn für den maximal möglichen Stromgrenzwert ausgelegt sein. Im Normalbetrieb wird der vom Verbraucher bzw. Verbraucherzweig Vl gezogene Laststrom den Stromgrenzwert des Blocks BIl nicht erreichen. Der Laststrom teilt sich dann entsprechend den Durchgangswiderständen auf die drei Schutzelemente El, E2, E3 auf. Toleranzen können dazu führen, dass dabei ein Schutzelement El bzw. E2 bzw. E3 seinen Teilstromgrenzwert erreicht. Die betreffende Ansteuerungseinheit Al bzw. A2 bzw. A3 regelt dann den durch dieses Schutzelement El bzw. E2 bzw. E3 fließenden Strom zurück, sodass entsprechend mehr Strom durch die anderen beiden Schutzelemente El, E2 bzw. E2, E3 bzw. El, E3 fließt. Um bei einer solchen unterschiedlichen Leistungsaufteilung der einzelnen Schutzelemente El, E2, E3 die maximal zur Verfügung stehende Leistungsfähigkeit der Strombegrenzungselemente Tl, T2, T3 zu nutzen, wird die Chiptemperatur des jeweiligen Strombegrenzungselements Tl, T2, T3 herangezogen. Ist die maximale Chiptemperatur eines Schutzelements El bzw. E2 bzw. E3 erreicht, schaltet dieses ab. Die parallel geschalteten Schutzelemente El, E2 bzw. E2, E3 bzw. El, E3 müssen infolgedessen die Überlast übernehmen. Bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Chiptemperatur schalten auch diese ab.
Als Alternative zur Chiptemperaturerfassung werden Überlasten nur für die Dauer einer vorgegebenen Zeitspanne zugelassen. Dabei kann ein Zeitglied erst nach einem eindeutigen Abfall der Spannung am Ausgang der parallel geschalteten Schutzeinheiten El, E2, E3 gestartet werden. In diesem Fall ist mittels einer übergeordneten Steuereinheit eine sequentielle Abtastung der einzelnen Schutzelement- Ausgangsspannungen durchzuführen, da dieser Steuereinheit nicht bekannt ist, welche Schutzeinheiten El... En parallel geschaltet sind. Aus den Ausgangsspannungen wird auf die thermische Belastung der Strombegrenzungselemente Tl, T2, T3 geschlossen .
Erst danach wird nach Ablauf einer festgelegten aktiven Begrenzungszeit, bei der die Lastspannung bereits aktiv reduziert wird, der betreffende Block BIl abgeschaltet, indem z.B. mittels der übergeordneten Steuereinheit an die Ansteuerungseinheiten Al, A2, A3 ein Abschaltsignal übermittelt wird. Bei einem nachfolgenden Einschaltvorgang sind Auskühlzeiten zur Begrenzung der Bauteiltemperaturen zu berücksichtigen. Dabei werden beispielsweise mittels eines manuell ausgelösten Resets alle Zeitglieder zurückgesetzt. Die Rücksetzung ist so lange gesperrt, bis entweder eine vorgegebene Ausschaltzeit abgelaufen ist oder ein kritischer Parameter unter einen vorgegebenen Einschaltwert fällt.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der Spannungsabfall am jeweiligen Strombegrenzungselement T2, T2, T3 detektiert wird.
Bei der Vorgabe bestimmter Zeitspannen für eine Strombegrenzung kann zusätzlich die Umgebungstemperatur erfasst werden. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen verlängert sich die zulässige Belastungsdauer. Bei der Erfassung der jeweiligen Chiptemperatur ist hingegen die Umgebungstemperatur bereits mit berücksichtigt.
Für eine gesicherte und berechenbare Verbindung an den Ausgängen der Schutzelemente El... En ist es sinnvoll, einen Verbindungskamm Ka vorzusehen. Ein solcher ist in Fig. 2 dargestellt und wird mittels entsprechender Anschlüsse mit den Ausgängen der Schutzelemente (El... En) elektrisch leitend verbunden. Günstigerweise geschieht dies durch Einlöten entsprechender Lötfahnen in eine Leiterplatte LP. Jede Lötfahne ist dabei mit einem Schutzelementausgang verbunden. Mit einem solchen Verbindungskamm Ka bestehen zwischen den einzelnen Schutzelementen El... En entsprechend große Leitungsquerschnitte, sodass eine große Anzahl an Schutzelementen El... En parallel schaltbar ist. Zudem reduziert sich der Installationsaufwand erheblich, insbesondere dann, wenn zwischen den Schutzelementen El... En manuell trennbare Trennstellen Br vorgesehen sind, vorzugsweise als Sollbruchstellen ausgebildet. Entsprechend den anzuschließenden Verbrauchern bzw. Verbraucherzweigen Vl, V2 wird der Verbindungskamm Ka an einer solchen Trennstelle Br unterbrochen, sodass der Verbindungskamm Ka in mehrere Verbindungskammabschnitte KaI, Ka2 aufgeteilt ist.
Dazu weist der Verbindungskamm Ka beispielsweise Trennstücke TS auf, die es erlauben, im Bereich der Trennstellen Br ein Drehmoment einzuleiten. Durch mehrmaliges verwinden des betreffenden Trennstückes TS kommt es im Bereich dieser Trennstellen Br zu einer Kaltverfestigungen und in weiterer Folge zu einem gewünschten Bruch beidseits des Trennstücks TS. Es ist auch möglich, die Trennstücke TS nur als abzwickbare Teile auszuführen. Es ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Trennstücke TS eine entsprechende Größe aufweisen, damit sie nicht versehentlich durch Luftschlitze eines Gerätegehäuses fallen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Trennstücke TS im Vergleich zum sonstigen Leitungsquerschnitt entweder als größere flache Teile oder als größere gebogene Teile ausgebildet sind. Der Verbindungskamm Ka kann zudem eine färbige Markierung abdecken. Diese wird beim Herausbrechen eines Trennstücks TS freigegeben um eindeutig anzuzeigen, welche Schutzelemente El... En miteinander verbunden bzw. voneinander getrennt sind.
Bei einer solchen Ausführung ist sicherzustellen, dass der Verbindungskamm nur dann zugänglich ist, wenn die
Schutzeinrichtung spannungsfrei ist. Dazu ist beispielsweise eine Abdeckung vorzusehen, die nur bei abgeschalteter Schutzeinrichtung zu öffnen ist. Als Alternative ist der Verbindungskamm partiell isoliert ausgeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Schutzeinrichtung (SCH) zur Anordnung zwischen zumindest einem Verbraucher (Vl, V2) und einer Stromversorgung, wobei diese Schutzeinrichtung (SCH) eine
Strombegrezungs- und eine Abschaltfunktion aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (SCH) aus mehreren strombegrenzenden bzw. abschaltenden Schutzelementen (El... En) gebildet ist, deren Ausgänge parallel geschaltet sind.
2. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schutzelement (El... En) einen fixen Teilstromgrenzwert aufweist.
3. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromgrenzwert der Schutzeinrichtung (SCH) oder eines Schutzeinrichtungsblocks (BIl, B12) als Summe gleich großer Teilstromgrenzwerte der parallel geschalteten Schutzelemente (El... En) gebildet ist.
4. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzelemente
(El... En) der Schutzeinrichtung (SCH) ausgangsseitig mittels eines Verbindungskamms (Ka) verbunden sind.
5. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskamm (Ka) mit den Ausgängen der Schutzelemente (El... En) verlötet ist.
6. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskamm (Ka) zwischen den Schutzelementen (El... En) jeweils zumindest eine manuell trennbare Trennstelle (Br) aufweist.
7 . Elektri sche Schut zeinrichtung nach Anspruch 6 , dadurch gekenn z ei chne t , das s der Verbindungs kamm zwi schen den Schutzelementen (El... En) jeweils ein sperrig geformtes Trennstück aufweist, welches manuell aus dem Verbindungskamm heraustrennbar ist.
8. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer Trennstelle bzw. eines Trennstücks eine Markierung angebracht ist, die eine Kammtrennung anzeigt.
9. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (SCH) in die Stromversorgung eingebaut ist.
10. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schutzelement
(El... En) eine Ansteuerungseinheit (Al... A2) und ein Strombegrenzungselement (Tl... Tn) mit einem variablen Durchgangswiderstand umfasst und dass der Durchgangswiderstand mittels der Ansteuerungseinheit (Al... An) in Abhängigkeit des durch das
Strombegrenzungselement (Tl... Tn) fließenden Stromes bestimmt ist .
11. Steuerungsverfahren einer elektrischen Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzelement (El... En) bei Erreichung eines zugeordneten vorgegebenen Teilstromgrenzwertes den Strom durch das Schutzelement (El... En) begrenzt, bis ein kritischer Parameter des Schutzelements (El... En) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet und das Schutzelement (El... En) abschaltet.
12. Steuerungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ausgang eines Schutzelements (El... En) die Spannung erfasst wird und dass bei Erreichung eines vorgegebenen Spannungsabfallwertes das betreffende Schutzelement (El... En) den Strom durch das Schutzelement (El... En) für eine vorgegebene Begrenzungszeitspanne begrenzt und dass das Schutzelement (El... En) nach einem Ablauf der Begrenzungszeitspanne abschaltet .
13. Steuerungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Abschaltung alle Schutzelemente (El... En) zurückgesetzt werden, sobald eine vorgegebene Ausschaltzeitspanne abgelaufen ist und/oder ein kritischer Parameter des jeweiligen Schutzelements (El... En) unterhalb eines vorgegebenen Einschaltwertes fällt.
14. Steuerungsverfahren nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass als kritischer Parameter eine Chiptemperatur des jeweiligen Schutzelements (El... En) erfasst wird.
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