Beschreibung
Schutzschaltgerät und Verfahren
Die Erfindung betri f ft das technische Gebiet eines Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit und ein Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit .
Mit Niederspannung sind Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung gemeint . Mit Niederspannung sind insbesondere Spannungen gemeint , die größer als die Kleinspannung, mit Werten von 50 Volt Wechselspannung bzw . 120 Volt Gleichspannung, sind .
Mit Niederspannungsstromkreis bzw . -netz oder -anlage sind Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 125 Ampere , spezi fischer bis zu 63 Ampere gemeint . Mit Niederspannungsstromkreis sind insbesondere Stromkreise mit Nennströmen bzw . Bemessungsströmen von bis zu 50 Ampere , 40 Ampere , 32 Ampere , 25 Ampere , 16 Ampere oder 10 Ampere gemeint . Mit den genannten Stromwerten sind insbesondere Nenn- , Bemessungs- oder/und Abschaltströme gemeint , d . h . der Strom, der im Normal fall maximal über den Stromkreis geführt wird bzw . bei denen der elektrische Stromkreis üblicherweise unterbrochen wird, beispielsweise durch eine Schutzeinrichtung, wie ein Schutzschaltgerät , Leitungsschutzschalter oder Leis- tungs schal ter .
Leitungsschutzschalter sind seit langem bekannte Uberstrom- schut zeinrichtungen, die in der Elektroinstallationstechnik in Niederspannungsstromkreisen eingesetzt werden . Diese schützen Leitungen vor Beschädigung durch Erwärmung infolge zu hohen Stromes und/oder Kurzschluss . Ein Leitungsschutzschalter kann den Stromkreis bei Überlast und/oder Kurzschluss selbsttätig abschalten . Ein Leitungsschutzschalter ist ein nicht selbsttätig zurückstellendes Sicherungselement .
Leistungsschalter sind, im Gegensatz zu Leitungsschutzschaltern, für Ströme größer als 125 A vorgesehen, teilweise auch schon ab 63 Ampere . Leitungsschutzschalter sind deshalb einfacher und filigraner auf gebaut . Leitungsschutzschalter weisen üblicherweise eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung auf einer so genannten Hutschiene ( Tragschiene , DIN- Schiene , TH35 ) auf .
Leitungsschutzschalter sind elektromechanisch auf gebaut . In einem Gehäuse weisen sie einen mechanischen Schaltkontakt bzw . Arbeitsstromauslöser zur Unterbrechung (Auslösung) des elektrischen Stromes auf . Üblicherweise wird ein Bimetall- Schutzelement bzw . Bimetall-Element zur Auslösung (Unterbrechung) bei länger anhaltenden Überström (Überstromschutz ) respektive bei thermischer Überlast (Überlastschut z ) eingesetzt . Ein elektromagnetischer Auslöser mit einer Spule wird zur kurz zeitigen Auslösung bei Überschreiten eines Uberstrom- grenzwerts bzw . im Falle eines Kurzschlusses (Kurzschlussschutz ) eingesetzt . Eine oder mehrere Lichtbogenlöschkammer (n) bzw . Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung sind vorgesehen . Ferner Anschlusselemente für Leiter des zu schützenden elektrischen Stromkreises .
Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit sind relativ neuartige Entwicklungen . Diese weisen eine halbleiterbasierte elektronische Unterbrechungseinheit auf . D . h . der elektrische Stromfluss des Niederspannungsstromkreises wird über Halbleiterbauelemente respektive Halbleiterschalter geführt , die den elektrischen Stromfluss unterbrechen bzw . leitfähig geschaltet werden können . Schutzschaltgeräte mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit weisen ferner häufig ein mechanisches Trennkontaktsystem auf , insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigem Normen für Niederspannungsstromkreise , wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind, d . h . der Strom des zu schützenden Niederspannungsstromkreises wird sowohl über das
mechanische Trennkontaktsystem als auch über die elektronische Unterbrechungseinheit geführt.
Bei halbleiterbasierten Schutzschaltgeräte bzw. Schutzgeräten, neudeutsch Solid State Circuit Breaker, kurz SSCB, muss die Schaltenergie nicht wie bei einem mechanischen Schaltgerät in einen Lichtbogen, sondern mittels eines zusätzlichen Schaltkreises, dem Energy Absorber, in Wärme umgesetzt werden. Die Abschaltenergie umfasst dabei die im Stromkreis, d.h. in den Netz-, Leitungs- bzw. Lastimpedanzen (Verbraucherimpedanzen) , gespeicherte Energie. Um den Energy Absorber zu entlasten, muss der Strom, der im Moment des Abschaltens fließt, möglichst gering sein. Dies gilt auch im Falle eines Kurzschlusses. Hier steigt der Strom sehr schnell an. Durch schnelle Kurzschlusserkennung kann ein Kurzschluss frühzeitig erkannt und ein zu hoher Kurzschlussstrom vermieden werden. Das halbleiterbasierte Schutzschaltgerät unterbricht, im Sinne eines Abschaltvorganges, nahezu unverzögert, innerhalb von ps, den Stromkreis. Es treten keine hohen Ströme auf und die Belastung des Energy Absorbers eines halbleiterbasierten Schutzschaltgerätes wird reduziert. Bekannte Kurschlusserkennungen bzw. Abschaltkriterien basieren üblicherweise auf der Ermittlung und Auswertung des Strom-Istwertes.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Niederspannungswechselstromkreise, mit einer Wechselspannung, üblicherweise mit einer zeitabhängigen sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f, typischerweise 50 oder 60 Hertz (Hz) . Die zeitliche Abhängigkeit des momentanen Spannungswertes u(t) der Wechselspannung ist durch die Gleichung: u(t) = U * sin (2n * f * t) beschrieben. Wobei: u(t) = momentaner Spannungswert zu der Zeit t
U = Amplitude (Maximalwert) der Spannung
Eine harmonische Wechselspannung lässt sich durch die Rotation eines Zeigers darstellen, dessen Länge der Amplitude (U) der Spannung entspricht. Die Momentanauslenkung ist dabei die Projektion des Zeigers auf ein Koordinatensystem. Eine Schwingungsperiode entspricht einer vollen Umdrehung des Zeigers und dessen Vollwinkel beträgt 2n (2Pi) bzw. 360°. Die Kreisfrequenz ist die Änderungsrate des Phasenwinkels dieses rotierenden Zeigers. Die Kreisfrequenz einer harmonischen Schwingung beträgt immer das 2n-fache ihrer Frequenz, d.h. : w = 2n*f = 2n/T = Kreisfrequenz der Wechselspannung (T = Periodendauer der Schwingung)
Häufig wird die Angabe der Kreisfrequenz (w) gegenüber der Frequenz (f) bevorzugt, da sich viele Formeln der Schwingungslehre aufgrund des Auftretens trigonometrischer Funktionen, deren Periode per Definition 2n ist, mit Hilfe der Kreisfrequenz kompakter darstellen lassen: u ( t ) = U * sin (wt)
Im Falle zeitlich nicht konstanter Kreisfrequenzen wird auch der Begriff momentane Kreisfrequenz verwendet.
Bei einer sinusförmigen, insbesondere zeitlich konstanten, Wechselspannung entspricht der zeitabhängige Wert aus der Winkelgeschwindigkeit w und der Zeit t dem zeitabhängigen Winkel cp ( t ) , der auch als Phasenwinkel cp ( t ) bezeichnet wird. D.h. der Phasenwinkel cp ( t ) durchläuft periodisch den Bereich O...2n bzw. 0°...360°. D.h. der Phasenwinkel nimmt periodisch einen Wert zwischen 0 und 2n bzw. 0° und 360° an (cp = n* (0...2n) bzw. cp = n* ( 0 °...360 ° ) , wegen Periodizität; verkürzt: cp = O...2n bzw. cp = 0°...360° ) .
Mit momentanem Spannungswert u(t) ist folglich der momentane Wert der Spannung zum Zeitpunkt t, d.h. bei einer sinusförmigen (periodischen) Wechselspannung der Wert der Spannung zum
Phasenwinkel cp gemeint ( cp = O...2n bzw . cp = 0 °...360 ° , der j eweiligen Periode ) .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Schutzschaltgerät eingangs genannter Art zu verbessern, insbesondere eine Möglichkeit auf zuzeigen, dass bei einem auftretenden Kurzschluss oder Überstrom, d . h . bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes , die elektronische Unterbrechungseinheit sicher eine Vermeidung eines elektrischen Stromflusses durchführt .
Diese Aufgabe wird durch ein Schutzschaltgeräte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst .
Erfindungsgemäß ist ein ( elektronisches ) Schutzschaltgerät zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises , insbesondere Niederspannungswechselstromkreises , vorgesehen, aufweisend :
- ein Gehäuse , mit ersten, insbesondere netzseitigen, und zweiten, insbesondere lastseitigen, Anschlüssen für Leiter des Niederspannungsstromkreises ,
- eine mechanische Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei insbesondere die mechanische Trennkontakteinheit den ( zweiten) lastseitigen Anschlüssen und die elektronische Unterbrechungseinheit den ( ersten) netzseitigen Anschlüssen zugeordnet ist ,
- dass die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- dass die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Stromsensoreinheit , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises , derart das momentane Stromwerte vorliegen,
- insbesondere in einer Ausgestaltung einer Spannungssensoreinheit , zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises , derart das momentane Spannungswerte vorliegen,
- einer Steuerungseinheit , die mit der Stromsensoreinheit , (der Spannungssensoreinheit , ) der mechanischen Trennkontakteinheit und der elektronischen Unterbrechungseinheit verbunden ist , wobei bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, ( insbesondere durch die elektronische Unterbrechungseinheit )
- dass das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet ist , dass der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis angepasst wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass das Schutzschaltgerät bei einem auftretendem Überström bzw . Kurzschluss diesen insbesondere durch die elektronische Unterbrechungseinheit sicher vermeiden kann, d . h . abschalten kann . Sicher bedeutet hier in diesem Zusammenhang, dass die halbleiterbasierten Schaltelemente ( z . B . Leistungshalbleiter ) vor einer thermischen Zerstörung geschützt werden . Die Abschaltleistung der elektronischen Unterbrechungseinheit , insbesondere dessen halbleiterbasierten Schaltelementen ( ( Leistungs- ) Halbleiter ) , ist durch den ( aktuelle ) Strom bzw . durch die ( aktuelle ) Temperatur des ( Leistungs- ) Halbleiters begrenzt , insbesondere durch die bei hohen Strömen bereitgestellte Energiemenge , die zur thermischen Überlastung führen könnte . Um eine sichere Abschaltung ( insbesondere bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes zu gewährleisten) ohne eine Überdimensionierung der elektronischen Unterbrechungseinheit , insbesondere dessen halbleiterbasierte Schaltelemente ( ( Leistungs- ) Halbleiter ) , zu erreichen, wird abhängig von der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis , die Höhe des mindestens
einen Stromschwellwertes angepasst. So kann erfindungsgemäß mit einfach ausgestalteten Einheiten eine hohe Effizienz sowie ein hoher ökonomischer Nutzen erreicht werden.
Vorsteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des momentanen Stromwertes angepasst wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet, dass der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Effektivwertes oder eines Mittelwertes des Stromes angepasst wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Stromschwellwert in Abhängigkeit vom Effektivwert des Stromes einer Netzperiode angepasst, insbesondere dass beim höheren Effektivwert, verglichen mit einem Nennstrom des Gerätes, der Stromschwellwert reduziert wird. Mit Nennstrom ist der Strom gemeint, den das Schutzschaltgerät dauerhaft führen muss; er ist in einschlägigen Normen definiert. Übliche Nennströme sin beispielsweise 16 A, 10 A, 32 A.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Stromschwellwert in Abhängigkeit vom Mittelwert des Effektivwertes des Stromes über eine dritte Zeitspanne angepasst. Die dritte Zeitspanne ist dabei z.B. 3, 4, 5 oder 10, 20, 30, 50 Netzperioden. Z.B. wird bei 10 Netzperioden ein Mittelwert des Effektivwertes über 200 ms gebildet und insbesondere bei höherem Mittelwert des Effektivwertes, verglichen mit dem Nennstrom des Gerätes, der Stromschwellwert reduziert.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine momentanwertbezogene bzw. ef f ektivewertbezogene (mittelwertbezogene) Anpassung erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes derart angepasst wird, dass bei zunehmendem Strom der mindestens eine Stromschwellwert verringert wird und dass bei abnehmenden Strom der mindestens eine Stromschwellwert erhöht wird, insbesondere bis zu einem Maximalwert des mindestens einen Stromschwellwert erhöht wird .
Vorteilhaft wird so bei hohen Strömen der Stromschwellwert (die Stromschwelle ) verringert , da bei hohen Strömen ein höher Wärmeeintrag erfolgen kann, der so besser erkannt wird, um so die Stromtragfähigkeit bzw . Wärmekapazität , insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit , spezieller dessen ( Leistungs- ) Halbleiter, maximal aus zunutzen und gleichzeitig den ( Leistungs- ) Halbleiter der elektronischen Unterbrechungseinheit vor einer thermischen Zerstörung geschützt wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass eine kontinuierliche Anpassung des mindestens einen Stromschwellwertes erfolgt . Ferner kann insbesondere eine Anpassung erfolgen, die schneller als 10 s , 5s , 1 s , 200 ms , 100 ms , 50ms , 20ms , 10 ms oder schneller als 1 ms durchgeführt wird ( Sämtliche Zwischenwerte sind möglich und of fenbart ) .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine schnelle Mitführung des Stromschwellwertes erfolgt , um so eine maximale Ausnutzung der elektronischen Unterbrechungseinheit , insbesondere dessen ( Leistungs- ) Halbleiter / halbleiterbasierten Schaltelement , zu erreichen und so eine hohe ökonomische Ausnutzung erreicht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass der momentane Stromwert der ermittelten Höhe des Stromes mittels eines ana-
logen Komparators mit dem mindestens einen Stromschwellwert derart verglichen wird, dass bei Überschreitung ( insbesondere des Betrages ) des ( analogen) momentanen Stromwertes über den ( insbesondere Betrag des ) mindestens einen ( analogen) Stromschwellwertes die Vermeidung des Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird .
Mit Überschreitung des Betrages des Stromes über den Betrag des mindestens einen Stromschwellwertes ist in diesem Zusammenhang sinnvollerweise die Überschreitung des Stromschwellwertes bei einem positiven Stromwert und die Unterschreitung eines negativen (betragsmäßig gleichem) Stromschwellwertes bei einem negativen Stromwert gemeint (Wechselstrom) . Dies könnte auch über einen betragsmäßigen Vergleich realisiert werden .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine schnelle Vermeidung eines Stromflusses (Abschaltung) , insbesondere durch die elektronische Unterbrechungseinheit erzielt wird .
Mit momentanen Stromwert ist beispielsweise ein analoger momentaner Stromwert gemeint , der die Höhe des Stromes durch ein Äquivalent , wie eine elektrische Spannung ( Spannungssignal ) , wobei die Höhe der Spannung die Höhe des Stromes repräsentiert . Beispielsweise ist ein analoger momentaner Stromwert ein analoger Messwert des Stromes , welcher als ein elektrisches Spannungssignal vorliegt , welches den Stromverlauf als Äquivalent abbildet .
Mit momentanen Stromschwellwert ist beispielsweise ein analoger momentaner Stromschwellwert gemeint , der die Höhe des Stromes durch ein Äquivalent angibt , wie eine elektrische Spannung ( Spannungssignal ) , wobei die Höhe der Spannung die Höhe des Stromes repräsentiert . Beispielsweise ist der analoge momentane Stromschwellwert ein analoges Signal , welches als elektrische ( s ) Spannung ( ssignal ) vorliegt , welches den momentanen Stromschwellwert (verlauf ) als Äquivalent abbildet .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass der mindestens eine Stromschwellwert digital berechnet wird (von der Steuerungseinheit bzw . beispielsweise von einem darin enthaltenen Mikroprozessor bzw . Microcontroller / Micro-Controller ) , der berechnete digitale Stromschwellwert mit einem Digital- Analog-Umsetzer in einen analogen Stromschwellwert umgesetzt wird, der analoge Stromschwellwert dem Komparator zugeführt wird .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit einer analogen Schaltung ( typischer weise im Bereich von wenigen Nanosekunden [ns ] , z . B . 5- 10 ns ) mit der Flexibilität eines digitalen programmierbaren und intelligenten Systems ( z . B . Mikroprozessor / Micro-Controllers ) kombiniert wird .
Der analoge Komparator arbeitet zeitkontinuierlich, das heißt nicht zeitdiskret . Die Erkennung eines Uberstromes (Überschreitung Stromschwellwert ) ist hiermit in einer sehr kurzen Zeit möglich . Ein Mikroprozessor / Microcontroller arbeitet als zeitdiskrete Steuerung, sodass die Reaktions zeit auf den Verarbeitungstakt beschränkt ist , der typsicherweise im Bereich von 10- 100 ps liegt .
Mit dieser Kombination kann die Flexibilität und Anpassbar- keit eines digitalen (momentanen) Stromschwellwertes erhalten bleiben und gleichzeitig die hohe Reaktions zeit der analogen Schaltung erreicht werden . Dies ist möglich, da die Anpassung des Stromschwellwertes nicht im Nanosekundenbereich / ns passieren muss , nur dessen Vergleich mit dem ( aktuellen) Momentanwert des Stromwertes sollte im ns-Bereich durchgeführt werden, was durch diese Anordnung/Kombination möglich ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die ( analogen) momentanen Stromwerte in digitale Stromwerte umgesetzt wer-
den, dass bei Überschreitung des Ef fektivwertes des Stromes über den Nennstrom des Schutzschaltgerätes für eine erste Zeitspanne der mindestens eine Stromschwellwert um einen von der Höhe der Überschreitung des Nennstromes abhängigen Prozentsatz reduziert wird, um einen angepassten Stromschwellwert zu erhalten .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass bei hohen Strömen der Stromschwellwert ( die Stromschwelle ) verringert wird, da bei hohen Strömen ein höher Wärmeeintrag erfolgt und so die Stromtragfähigkeit bzw . Wärmekapazität , insbesondere der elektronischen Unterbrechungseinheit , spezieller dessen (Leistungs- ) Halbleiter , maximal ausgenutzt wird und gleichzeitig der ( Leistungs- ) Halbleiter der elektronischen Unterbrechungseinheit vor einer thermischen Zerstörung geschützt wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die momentanen Stromwerte in digitale Stromwerte umgesetzt werden, ein digitaler Stromwert um einen Korrekturwert vermindert wird und das Ergebnis von dem mindestens einen Stromschwellwert abgezogen wird, um einen angepassten Stromschwellwert zu erhalten .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine weitere besonders einfache Berechnung bzw . Anpassung des Stromschwellwertes in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes gegeben ist .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die momentanen Stromwerte in digitale Stromwerte umgesetzt werden, aus den digitalen Stromwerte ein Ef fektivwert oder/und ein über die erste Zeitspanne gemittelter Ef fektivwert berechnet wird, der Stromschwellwert wird in Abhängigkeit von der Höhe einer Überschreitung des Ef fektivwertes oder gemittelten Ef fektiv-
wertes über den Nennstrom angepasst, um einen angepassten Stromschwellwert zu erhalten.
Z.B. wird bei Überschreitung des gemittelten Effektivwertes über den Nennstrom des Schutzschaltgerätes von z.B. 20% der Stromschwellwert um z.B. 20% reduziert. Eine andere Skalierung des Stromschwellwertes ist ebenso möglich.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine weitere besonders einfache Berechnung bzw. Anpassung des Stromschwellwertes in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes gegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine mit der Steuerungseinheit verbundene Spannungssensoreinheit vorgesehen ist, zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises, derart das momentane Spannungswerte vorliegen, liegen vom (insbesondere periodischen) zeitlichen Verlauf der Höhe der Spannung (insbesondere Wechselspannung) , d.h. von den momentanen Spannungswerten, abhängige (insbesondere periodische) momentane Stromschwellwerte vor.
Die momentanen Stromwerte werden (insbesondere phasenbezogen) mit den momentanen Stromschwellwerten verglichen. Bei (insbesondere betragsmäßiger) Überschreitung des momentanen Stromschwellwertes wird eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises initiiert.
Dies hat den besonderen Vorteil, dass eine von der Periodizität der Spannung abhängige Schwellwerte/Stromschwellwerte vorliegen, um eine schnelle Stromflussvermeidung (Auslösung) , insbesondere durch die elektronische Unterbrechungseinheit, zu erreichen. Bei hohen Strömen werden kleine Stromschwellwerte verwendet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die (periodischen) momentanen Stromschwellwerte einen Minimalwert auf, der größer als Null ist. Insbesondere ist dieser Mini-
malwert im Bereich von 5 bis 20% des Maximalwertes , d . h . des maximalen Stromschwellwertes .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass bei kleinen Stromschwellwerten bzw . kleinen Spannungen eine sichere und schnelle Erkennung von Kurzschlussströmen ermöglicht wird und Fehlauslösungen vermieden werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Niederspannungsstromkreis einen zeitlich sinus förmigen Spannungsverlauf auf ( Ideal fall ) . Insbesondere ist der Niederspannungsstromkreis ein Niederspannungswechselstromkreis . Die momentanen Stromschwellwerte weisen ebenfalls einen zeitlich, insbesondere betragsmäßigen, ( annähernd) sinus förmigen Stromverlauf auf . Wobei insbesondere der Nulldurchgang bzw . der Bereich des Nulldurchganges einen (betragsmäßigen) Minimalwert aufweist , der größer als Null ist , insbesondere ist dieser Minimalwert größer als 5% , 10% oder 20% des Maximalwertes , insbesondere spezieller ist dieser Minimalwert im Bereich von 5 bis 20% des Maximalwertes , d . h . des maximalen Stromschwellwertes . Die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromschwellwerten sind phasenbezogen derart synchronisiert , dass der Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert ) der Spannung mit dem Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert ) des Stromschwellwertes übereinstimmt .
Dies hat den besonderen Vorteil , dass eine einfache Erkennung bei ( insbesondere ) sinus förmigen Spannungsverläufen ermöglicht wird . Dies ist besonders vorteilhaft für Niederspannungswechselstromkreise .
Insbesondere stimmt der Bereich des Nulldurchganges der Spannung mit dem Bereich des Minimalwertes des Stromschwellwertes überein .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass die Steuerungseinheit eine analoge erste Teileinheit und
eine digitale zweite Teileinheit aufweist . Die erste Teileinheit weist einen ( analogen) ( Strom- ) Komparator auf , dem die momentanen ( analogen) Stromwerte und die momentanen ( analogen) Stromschwellwerte , letztere insbesondere von der zweiten Teileinheit , zugeführt werden . Die Stromschwellwerte werden gemäß dem zeitlichen Verlauf der Spannung von der zweiten Teileinheit phasenbezogenen bereitgestellt . Hiermit wird ein auf den zeitlichen Verlauf der Spannung phasenbezogener Vergleich der momentanen Stromwerte mit den momentanen Stromschwellwerten ermöglicht . Womit eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises bei Überschreitung der (momentanen) Stromschwellwerte initiiert werden kann .
Dies hat den besonderen Vorteil , einer einfachen Implementierung der Lösung .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schutzschaltgerät derart ausgestaltet , dass eine Netzsynchronisationseinheit vorgesehen ist . Diese ermittelt aus den zugeführten momentanen Spannungswerten mindestens einen Phasenwinkel ( cp ( t ) ) der Spannung und alternativ die Amplitude (U) der Spannung . Eine Schwellwerteinheit ist vorgesehen, die mit der Netzsynchronisationseinheit verbunden ist , so dass mit dem Phasenwinkel ( cp ( t ) ) der Spannung, der Amplitude (U) der Spannung und einem maximalen Grenzwert/Schwellwert für den Stromschwellwert => momentane Stromschwellwerte ermittelt werden . Die momentanen Stromwerte werden phasenbezogen mit den momentanen Stromschwellwerten verglichen, zur Ermittlung der Initiierung einer Vermeidung eines Stromflusses (Unterbrechung) .
Dies hat den besonderen Vorteil einer weiteren einfachen Implementierung der Lösung .
Vorteilhaft wird primär eine Vermeidung des Stromflusses durch die elektronische Unterbrechungseinheit initiiert . Zusätzlich, bzw . bei Vorliegen weiterer Kriterien, kann eine
galvanische Unterbrechung durch das mechanische Trennkontaktsystem initiiert werden .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Verfahren für ein Schutzschaltgerät für einen Niederspannungsstromkreis mit elektronischen (halbleiterbasierten) Schaltelementen mit den gleichen und weiteren Vorteilen beansprucht .
Beim Verfahren zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreis in einem Schutzschaltgerät mit einer mechanischen Trennkontakteinheit , die in Serie mit einer elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet ist , wobei die mechanische Trennkontakteinheit durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann, wobei die elektronische Unterbrechungseinheit durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis geschaltet werden kann, wobei die Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird, derart das momentane Spannungswerte vorliegen, wobei die Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises ermittelt wird, derart das momentane Stromwerte vorliegen, wobei bei Überschreitung ( insbesondere des Betrages ) des momentanen Stromwertes verglichen mit ( insbesondere dem Betrag des ) mindestens einem Stromschwellwert eine Vermeidung des Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, wird der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis angepasst .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes derart angepasst , dass bei zunehmendem Strom der mindestens eine Stromschwellwert verringert wird und dass bei abnehmendem Strom der mindestens eine Stromschwellwert erhöht
wird, insbesondere bis zu einem Maximalwert des mindestens einen Stromschwellwertes erhöht wird .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Überschreitung eines Nennstromes des Schutzschaltgerätes der mindestens eine Stromschwellwert um einen von der Höhe der Überschreitung des Nennstromes abhängigen Prozentsatz reduziert , um einen angepassten Stromschwellwert zu erhalten .
Bei der Überschreitung des Nennstromes kann der Ef fektivwert oder der über eine erste Zeitspanne gemittelte Wert des Effektivwertes (Mittelwert des Ef fektivwertes über die erste Zeitspanne ) zum Vergleich mit dem Nennstrom verwendet werden .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt beansprucht . Das Computerprogrammprodukt umfass Befehle , die bei der Aus führung des Programms durch einen Mikrocontroller ^Mikroprozessor ) diesen veranlassen die Sicherheit eines derartigen Schutzschaltgerätes zu verbessern bzw . eine höhere Sicherheit im durch das Schutzschaltgerät zu schützenden elektrischen Niederspannungsstromkreis zu erreichen, speziell dass die elektronische Unterbrechungseinheit sicher eine Vermeidung eines elektrischen Stromflusses durchführt . Der Mikrocontroller ^Mikroprozessor ) ist Teil des Schutzschaltgerätes , insbesondere der Steuerungseinheit .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes computerlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist , beansprucht .
Erfindungsgemäß wird ein korrespondierendes Datenträgersignal , das das Computerprogrammprodukt überträgt , beansprucht .
Alle Ausgestaltungen, sowohl in abhängiger Form rückbezogen auf den Patentanspruch 1 bzw . 13 , als auch rückbezogen lediglich auf einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen von Patentansprüchen, bewirken eine Verbesserung eines Schutz- schaltgerätes zur schnellen und sicheren Abschaltung bei
Überströmen und Kurzschlüssen und vermeidet eine thermische Zerstörung der eingesetzten halbleiterbasierten Schaltelemente bei Überströmen oder Kurzschlüssen .
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 Aus führungsbeispiele , die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden .
Dabei zeigt die Zeichnung :
Figur 1 eine erste Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 2 eine zweite Darstellung eines Schutzschaltgerätes ,
Figur 3 eine erste Ausgestaltung des Schutzschaltgerätes ,
Figur 4 eine zweite Ausgestaltung des Schutzschaltgerätes ,
Figur 5 Spannungs- und Stromschwellwertverläufe über der Zeit .
Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Schutzschaltgerätes SG zum Schutz eines elektrischen Niederspannungsstromkreises , insbesondere Niederspannungswechselstromkreises , mit einem Gehäuse GEH, aufweisend :
- Anschlüsse für Leiter des Niederspannungsstromkreises , insbesondere erste Anschlüsse LI , NI für eine netzseitigen, insbesondere energiequellenseitigen, Anschluss EQ des Schutz- schaltgerätes SG und zweite Anschlüsse L2 , N2 für einen lastseitigen, insbesondere energiesenkenseitigen - im Falle passiver Lasten, Anschluss ES (verbraucherseitigen Anschluss ) des Schutzschaltgerätes SG, wobei speziell phasenleiterseitige Anschlüsse LI , L2 und neutralleiterseitige Anschlüsse NI , N2 vorgesehen sein können; der lastseitige Anschluss kann eine passive Last (Verbraucher ) oder/und eine aktive Last ( (weitere ) Energiequelle auf-
weisen, bzw . eine Last , die sowohl passiv als auch aktiv sein kann, z . B . in zeitlicher Abfolge ;
- eine Spannungssensoreinheit SU, zur Ermittlung der Höhe der Spannung des Niederspannungsstromkreises , so dass momentane Spannungswerte (phasenbezogene Spannungswerte ) DU vorliegen, mit momentanen (phasenwinkelbezogene ) Spannungswerten sind insbesondere analoge momentane Spannungswerte gemeint , d . h . beispielsweise ein analoges Äquivalent , dass die Höhe der Spannung angibt , beispielsweise eine analoge Spannung, dessen Höhe der der elektrischen Spannung entspricht ,
- eine Stromsensoreinheit S I , zur Ermittlung der Höhe des Stromes des Niederspannungsstromkreises , derart das momentane (phasenwinkelbezogene ) Stromwerte DI vorliegen, mit momentanen (phasenwinkelbezogene ) Stromwerten sind insbesondere analoge momentane Stromwerte gemeint , d . h . beispielsweise ein analoges Äquivalent , dass die Höhe des Stromes angibt , beispielsweise eine analoge Spannung, dessen Höhe der des elektrischen Stromes entspricht ,
- einer elektronischen Unterbrechungseinheit EU, die durch halbleiterbasierte Schaltelemente einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung ( insbesondere Unterbrechung) und einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss im Niederspannungsstromkreis aufweist ,
- eine mechanische Trennkontakteinheit MK, die durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses oder ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss im Niederspannungsstromkreis schaltbar ist ,
- einer Steuerungseinheit SE , die mit der Spannungssensoreinheit SU, der Stromsensoreinheit S I , der mechanischen Trennkontakteinheit MK und der elektronischen Unterbrechungseinheit EU verbunden ist .
Die mechanische Trennkontakteinheit MK ist elektrisch in Serie mit der elektronischen Unterbrechungseinheit EU geschaltet .
Die Steuerungseinheit SE kann :
* mit einer digitalen Schaltung, z . B . mit einem Mikroprozes-
sor (= Mikrocontroller ) , realisiert sein; der Mikroprozessor kann auch einen Analog-Teil enthalten;
* mit einer digitalen Schaltung mit analogen Schaltungsteilen realisiert sein .
Das Schutzschaltgerät SG, insbesondere die Steuerungseinheit SE , ist derart ausgestaltet , dass bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird, insbesondere in einem ersten Schritt durch die elektronische Unterbrechungseinheit EU initiiert wird .
D . h . bei Überschreitung mindestens eines Stromschwellwertes , der in der Regel durch einen, insbesondere lastseitigen (ES ) , Kurzschluss verursacht wird, wird die elektronische Unterbrechungseinheit EU vom niederohmigen Zustand in den hochohmigen Zustand zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises geschaltet .
Das Schutzschaltgerät ist derart ausgestaltet , dass der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes im Niederspannungsstromkreis angepasst wird .
Speziell bzw . im allgemeinen Fall wird der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des momentanen Stromwertes angepasst . In einer Variante kann der mindestens eine Stromschwellwert in Abhängigkeit von der Höhe des Ef fektivwertes oder eines Mittelwertes des Stromes angepasst werden .
D . h . es ist mindestens ein Stromschwellwert vorgesehen, bei dessen betragsmäßiger Überschreitung eine Vermeidung eines Stromflusses des Niederspannungsstromkreises initiiert wird . Dieser eine Stromschwellwert wird dann in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes angepasst . Hiermit wäre eine einfache Lösung für die Erfindung gegeben .
Es können auch mehrere Stromschwellwerte vorgesehen sein, insbesondere können momentane / phasenwinkelbezogene Stromschwellwerte vorgesehen sein, so dass abhängig vom Phasenwinkel der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Stromes ein momentaner bzw. phasenwinkelbezogener Vergleich durchgeführt wird. Diese momentanen bzw. phasenwinkelbezogenen Stromschwellwerte können dann in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes angepasst werden. Insbesondere in einem Niederspannungswechselstromkreis kann dann schnell, beispielsweise für die nächste Halbwelle, ein angepasster momentaner bzw. phasenwinkelbezogener Stromschwellwert zur Verfügung gestellt werden (bzw. ein Satz angepasster Stromschwellwerte für jede Halbwelle - Anpassung alle 10 ms in einem Niederspannungswechselstromkreis mit einer Netzfrequenz von 50 Hz) .
Ein Vergleich kann dahingehend erfolgen, dass vom (insbesondere periodischen) zeitlichen Verlauf der Höhe der Spannung bzw. der ermittelten momentanen Spannungswerte abhängige (insbesondere periodische) momentane Stromschwellwerte vorliegen .
Die momentanen Stromschwellwerte können kontinuierlich oder phasenwinkelweise vorliegen.
Die momentanen Stromschwellwerte können dabei pro einzelnen Phasenwinkel, einen Phasenwinkelbereich (mehrere Phasenwinkel) , z.B. alle 2°, oder einen Phasenwinkelabschnitt (ein Teil eines Phasenwinkels) , z.B. alle 0,5° oder 0,1° vorliegen. Insbesondere eine Auflösung von 1° bis 5° ist besonders vorteilhaft (dies entspricht einer Abtastrate von 3,5 bis 20 kHz ) .
Die momentanen Stromwerte werden phasenbezogen mit den momentanen Stromschwellwerten verglichen. Bei (betragsmäßiger) Überschreitung des momentanen Stromschwellwertes durch den (Betrag des) momentanen Stromwertes wird eine Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises, z.B. durch ein erstes Unterbrechungssignal TRIP von der Steuerungseinheit SE zur elekt-
ronischen Unterbrechungseinheit EU, initiiert, wie in Figur 1 eingezeichnet .
Die elektronische Unterbrechungseinheit EU ist gemäß Figur 1 als Block in beiden Leitern eingezeichnet. Damit ist in einer ersten Variante keine Unterbrechung beider Leiter gemeint. Mindestens ein Leiter, insbesondere der aktive Leiter respektive Phasenleiter, weist halbleiterbasierte Schaltelemente auf. Der Neutralleiter kann schaltelementefrei sein, d.h. ohne halbleiterbasierte Schaltelemente. D.h. der Neutralleiter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. D.h. es erfolgt nur eine einpolige Unterbrechung (des Phasenleiters) . Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante der elektronischen Unterbrechungseinheit EU die Phasenleiter halbleiterbasierten Schaltelemente auf. Der Neutralleiter ist direkt verbunden, d.h. wird nicht hochohmig. Beispielsweise für einen Dreiphasen- Wechselstromkreis .
In einer dritten Variante der elektronischen Unterbrechungseinheit EU kann der Neutralleiter ebenfalls ein halbleiterbasiertes Schaltelement aufweisen, d.h. bei einer Unterbrechung der elektronischen Unterbrechungseinheit EU werden beide Leiter hochohmig.
Die elektronische Unterbrechungseinheit EU kann Halbleiterbauelemente wie Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FET) , Isolated Gate Bipolartransistoren (IGBT) , Metall Oxid Schicht Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere (selbstgeführte) Leistungshalbleiter aufweisen. Insbesondere IGBT's und MOSFET' s eignen sich auf Grund geringer Durchflusswiderstände, hoher Sperrschichtwiderstände und eines guten Schaltverhaltens besonderes gut für das erfindungsgemäße Schutzschaltgerät .
Das Schutzschaltgerät SG kann bevorzugt ein mechanisches Trennkontaktsystem MK gemäß Norm mit normgerechten Trennereigenschaften, zur galvanischen Trennung des Stromkreises, ins-
besondere zum normgerechten Freischalten ( im Gegensatz zum Abschalten) des Stromkreises aufweisen . Das mechanische Trennkontaktsystem MK ist mit der Steuerungseinheit SE verbunden, wie in Figur 1 eingezeichnet , so dass die Steuerungseinheit SE eine galvanische Trennung des Stromkreises initiieren kann .
Speziell kann eine weitere Auswertung implementiert sein, die bei Erfüllung anderer Kriterien eine galvanische Trennung herbei führt . Beispielsweise kann eine Überstromerkennung vorgesehen sein, beispielsweise in der Steuerungseinheit SE , die bei Überströmen, d . h . bei Überschreitung von Strom-Zeitgrenz- werten, d . h . wenn ein Strom, der einen Stromgrenzwert überschreitet , eine bestimmte Zeit anliegt , d . h . beispielsweise ein bestimmter Energieschwellwert überschritten, eine halbleiterbasierte oder/und galvanische Unterbrechung des Stromkreises erfolgen .
Alternativ bzw . zusätzlich kann beispielsweise bei einem erkannten Kurzschluss auch eine galvanische Trennung initiiert werden .
Die Initiierung der galvanischen Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises erfolgt beispielsweise durch ein weiteres zweites Unterbrechungssignal TRIPG, dass von der Steuerungseinheit SE zum mechanisches Trennkontaktsystem MK gesendet wird, wie in Figur 1 eingezeichnet .
Das mechanische Trennkontaktsystem MK kann in einer ersten Variante einpolig unterbrechen . D . h . es wird nur ein Leiter der beiden Leiter, insbesondere der aktive Leiter respektive Phasenleiter unterbrochen, d . h . weist einen mechanischen Kontakt auf . Der Neutralleiter ist dann kontaktfrei , d . h . der Neutralleiter ist direkt verbunden .
Sind weitere aktive Leiter / Phasenleiter vorgesehen, weisen in einer zweiten Variante die Phasenleiter mechanische Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems auf . Der Neutral-
leiter ist in dieser zweiten Variante direkt verbunden . Beispielsweise für einen Dreiphasen-Wechselstromkreis .
In einer dritten Variante des mechanischen Trennkontaktsystem MK weist der Neutralleiter ebenfalls mechanische Kontakte auf , wie in Figur 1 eingezeichnet .
Mit mechanischem Trennkontaktsystem MK ist insbesondere eine (normgerechte ) Trennfunktion gemeint , realisiert durch das Trennkontaktsystem MK . Mit Trennfunktion sind die Punkte : -Mindestluf tstrecke nach Norm (Mindestabstand der Kontakte ) , -Kontaktstellungsanzeige der Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystem, -Öf fnung des mechanischen Trennkontaktsystem immer möglich ( keine Blockierung des Trennkontaktsystems durch die Handhabe ) , so genannte Freiauslösung gemeint .
Hinsichtlich der Mindestluf tstrecke zwischen den Kontakten des Trennkontaktsystem ist diese im Wesentlichen spannungsabhängig . Weitere Parameter sind der Verschmutzungsgrad, die Art des Feldes (homogen, inhomogen) , und der Luftdruck bzw . die Höhe über Normalnull .
Für diese Mindestluf tstrecken bzw . Kriechstrecken gibt es entsprechende Vorschri ften bzw . Normen . Diese Vorschri ften geben beispielsweise bei Luft für eine Stoßspannungs festigkeit die Mindestluf tstrecke für ein inhomogenes und ein homogenes ( ideales ) elektrisches Feld in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad an . Die Stoßspannungs festigkeit ist die Festigkeit beim Anlegen einer entsprechenden Stoßspannung . Nur bei Vorliegen dieser Mindestlänge (Mindeststrecke ) weist das Trennkontaktsystem bzw . Schutzschaltgerät eine Trennfunktion ( Trennereigenschaft ) auf .
Im Sinne der Erfindung sind hierbei für die Trennerfunktion und deren Eigenschaften der Normenreihe DIN EN 60947 bzw . IEC
60947 einschlägig, auf die hier durch Referenz Bezug genommen wird .
Das Trennkontaktsystem ist vorteilhafterweise durch eine Min- destluf tstrecke der geöffneten Trennkontakte in der Ausstellung (Geöffnet Stellung, geöffnete Kontakte) in Abhängigkeit von der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit und dem Verschmutzungsgrad gekennzeichnet. Die Mindestluf tstrecke beträgt insbesondere zwischen (im Minimum) 0,01 mm und 14 mm. Insbesondere beträgt vorteilhafterweise die Mindestluf tstrecke zwischen 0,01 mm bei 0,33 kV und 14 mm bei 12 kV, insbesondere für Verschmutzungsgrad 1 sowie insbesondere für inhomogene Felder. Vorteilhafterweise kann die Mindestluf tstrecke die folgenden
Werte aufweisen:
E DIN EN 60947-1 (VDE 0660-100): 2018-06
Tabelle 13 - Mindestluftstrecken
Die Verschmutzungsgrade und Feldarten entsprechen den in den Normen definierten . Dadurch lässt vorteilhafterweise ein entsprechend der Bemessungsstoßspannungs festigkeit dimensioniertes normgerechtes Schutzschaltgerät erzielen .
Figur 2 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1 , mit dem Unterschied, dass vorteilhaft (bei der Serienschaltung aus mechanischer Trennkontakteinheit MK und elektronischer Unterbrechungseinheit EU) die mechanische Trennkontakteinheit MK den lastseitigen Anschlüssen und die elektronische Unterbrechungseinheit EU den netzseitigen Anschlüssen zugeordnet ist . Ferner ist die elektronische Unterbrechungseinheit EU als einpolige elektronische Unterbrechungseinheit EU ausgeführt , d . h . ist im Beispiel im Phasenleiter, d . h . zwischen den Anschlüssen LI , L2 , vorgesehen . Die elektronische Unterbrechungseinheit EU weist ferner (mindestens ) ein halbleiterbasiertes Schaltelement (= Leistungshalbleiter ) auf , was in Figur 2 angedeutet ist . Das halbleiterbasierte Schaltelement weist ferner ein Uberspannungsschut zelement auf , was in Figur 2 ebenfalls angedeutet ist . Die Steuerungseinheit SE weist eine analoge erste Teileinheit SEA und eine digitale zweite Teileinheit SED auf . Die digitale zweite Teileinheit SED kann beispielsweise ein Mikroprozessor bzw . digitaler Signalprozessor ( DSP ) sein . Die analoge erste Teileinheit SEA weist mindestens einen ( Strom- ) Komparator auf , wie in Figur 2 angedeutet .
Figur 3 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1 und 2 , mit einer weiteren detaillierten Ausgestaltung . Die Steuerungseinheit SE weist zwei Teileinheiten auf , eine , bevorzugt analoge , erste Teileinheit SEA und eine , bevorzugt digitale , zweite Teileinheit SED . Die erste Teileinheit SEA weist hierbei einen analogen ( Strom- ) Komparator CI auf . Diesem werden einerseits die momentanen Stromwerte DI der Stromsensoreinheit S I zugeführt , speziell analoge momentane Stromwerte . Andererseits werden dem Stromkomparator CI ( im Beispiel ) ( ein Stromschwellwert oder ) die momentanen Stromschwellwerte SWI von der zweiten Teileinheit SED zugeführt . Mit Strom-Komparator
ist hierbei ein Komparator gemeint , der zwei ( Strom- ) Größen miteinander vergleicht , wobei hierbei insbesondere Äquivalente der Höhe des Stromes miteinander verglichen werden ( z . B . zwei Spannungen, deren Spannungshöhe j eweils die Stromhöhe bzw . die Höhe des Stromschwellwertes repräsentiert ) .
Die ( analogen) momentanen Stromschwellwerte sind insbesondere ein analoger Spannungsverlauf .
Der Stromkomparator CI vergleicht die ( analogen) momentanen Stromwerte DI mit den ( analogen) momentanen Stromschwellwerten SWI und gibt , wie beschrieben, bei ( insbesondere betragsmäßiger ) Überschreitung, ein erstes Stromunterbrechungssignal TI , zur Initiierung einer Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises , ab .
Das Stromunterbrechungssignal TI kann einer Logikeinheit LG zugeführt werden, die es mit anderen Unterbrechungssignalen kombiniert und das erste Unterbrechungssignal TRIP zur halbleiterbasierten Unterbrechung bzw . hochohmigen Unterbrechung an die elektronische Unterbrechungseinheit EU abgibt .
Mit dem analogen ( Strom- ) Komparator ist insbesondere eine sofortige , d . h . sehr schnelle , Erkennung der Überschreitung möglich, diese findet üblicherweise im ns-Bereich statt , d . h . zwischen 1 und 100 ns .
Im Vergleich dazu würde ein digitales System aktuell im ps- bereich, also beispielsweise zwischen 2 - 100 ps reagieren, auf Grund der Berechnungs- und Reaktions zeiten .
In einer Ausgestaltung speichert der Stromkomparator CI die momentanen ( Strom- ) Schwellwerte SWI zwischen, um die Werte ständig zur Verfügung zu haben .
Wobei die momentanen Stromschwellwerte SWI mit dem zeitlichen Verlauf der momentanen Spannungswerte ( dem zeitlichen Verlauf der Spannung) synchronisiert sind . Dadurch werden bei kleiner
momentaner Spannung ( Phasenwinkel einer sinus förmigen Wechselspannung von z . B . -30 ° bis 0 ° bis 30 ° ) kleine momentane Stromschwellwerte SWI verwendet (bzw . liegen vor ) und bei hoher momentaner Spannung ( Phasenwinkel einer sinus förmigen Wechselspannung von z . B . 60 ° bis 90 ° bis 120 ° ) hohe Stromschwellwerte SWI verwendet (bzw . liegen vor ) . Dadurch ist beispielsweise vorteilhaft die Auslösezeit weitestgehend unabhängig vom Phasenwinkel der Spannung, so dass die Auslösezeit unter einem zeitlichen ersten Schwellwert liegt .
Die ( analogen) momentanen Stromwerte DI und die ( analogen) momentanen Spannungswerte DU werden zudem der zweiten Teileinheit SED zugeführt . In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die momentanen Stromwerte DI oder/und momentanen Spannungswerte DU dort durch einen Analog-Digital-Umsetzer ADC digitalisiert und einem Mikroprozessor (=Mikrocontroller ) CPU zugeführt . Dieser führte eine Ermittlung bzw . Berechnung der momentanen Stromschwellwerte SWI durch, in Abhängigkeit von der Höhe des Stromes / der zugeführten momentanen Stromwerte DI . Die durch die zweite Teileinheit SED bzw . insbesondere den Mikroprozessor CPU ermittelten momentanen Stromschwellwerte SWI werden wiederum ( durch einen Digital-Analog- Umsetzer DAC ) der ersten Teileinheit SEA zugeführt , insbesondere dem Stromkomparator CI , um den oben beschriebenen Vergleich durchzuführen .
Die zweite Teileinheit SED oder die erste Teileinheit SEA kann einen Digital-Analog Umsetzer DAC aufweisen, um die in der zweite Teileinheit SED berechneten ( digitalen) Stromschwellwerte SWI in analoge Stromschwellwerte SWI umzusetzen, um einen anlogen Vergleich in der erste analogen Teileinheit SEA durchzuführen . Im Beispiel gemäß Figur 3 ist der Digital- Analog Umsetzer DAC ein Teil der zweiten ( digitalen) Teileinheit SED (bzw . dieser zugeordnet ) .
Dabei kann vorteilhaft die Ermittlung der momentanen Stromschwellwerte SWI in der zweiten Teileinheit SED digital erfolgen bzw . mit einer langsameren Verarbeitungsgeschwindig-
keit als der fortlaufende Vergleich von analogen momentanen Stromwerten DI mit den analogen momentanen Stromschwellwerten SWI in der ersten Teileinheit SEA. Dies ist vorteilhaft , da der analoge Vergleich des Stromwertes schneller erfolgt , als die Verarbeitungs zeit bzw . Berechnungs zeit der digitalen zweiten Teileinheit SED .
Der phasengenaue Vergleich ist in der Regel durch die schnellen Verarbeitungsgeschwindigkeiten von Analog-Digital- Umsetzer ADC, Mikroprozessor (=Mikrocontroller ) CPU und Digital-Analog Umsetzer DAC im Vergleich zur Frequenz des Niederspannungsstromkreises , der in Europa in Regel 50 Hertz beträgt , sichergestellt .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Teileinheit SEA einen Spannungskomparator CU aufweisen . Diesem werden einerseits die momentanen Spannungswerte DU des Spannungssensors SU zugeführt . Andererseits werden dem Spannungskomparator CU momentane Spannungsschwellwerte SWU von der zweiten Teileinheit SED zugeführt .
Der Spannungskomparator CU vergleicht die momentanen Spannungswerte DU mit den momentanen Spannungsschwellwerten SWU und gibt bei Überschreitung oder Unterschreitung bzw . Bereichsprüfung ein Spannungsunterbrechungssignal TU zur Initiierung einer Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises ab .
Das Spannungsunterbrechungssignal TU kann der Logikeinheit LG zugeführt werden, die es mit dem (n) ( anderen) Unterbrechungssignal ( en) kombiniert und das erste Unterbrechungssignal TRIP zur halbleiterbasierten Unterbrechung bzw . hochohmigen Unterbrechung an die elektronische Unterbrechungseinheit EU abgibt .
In einer Ausgestaltung speichert der Spannungskomparator CU die momentanen Schwellwerte SWU zwischen, um die Werte ständig zur Verfügung zu haben .
In einer Ausgestaltung führt der Mikroprozessor CPU eine Ermittlung bzw . Berechnung der momentanen Spannungsschwellwerte SWU durch . Die durch die zweite Teileinheit SED bzw . insbesondere den Mikroprozessor CPU ermittelten momentanen Spannungsschwellwerte SWU werden wiederum der ersten Teileinheit SEA zugeführt , insbesondere dem Spannungskomparator CU, um den oben beschriebenen Vergleich durchzuführen . Die digitalen momentanen Spannungsschwellwerte SWU können durch einen weiteren, nicht dargestellten, Digital-Analog-Umsetzer in analoge momentanen Spannungsschwellwerte SWU umgesetzt werden . Diese werden mit dem Spannungskomparator CU mit den analogen momentanen Spannungswerten DU verglichen .
Dabei kann vorteilhaft die Ermittlung der momentanen Spannungsschwellwerte SWU in der zweiten Teileinheit SED digital erfolgen bzw . mit einer langsameren Verarbeitungsgeschwindigkeit als der fortlaufende Vergleich von momentanen Spannungswerten DU und momentanen Spannungsschwellwerten SWU in der ersten Teileinheit SEA.
Je nach Ausgestaltung kann ein zweites Unterbrechungssignal TRIPG von der zweiten Teileinheit SED der Steuerungseinheit SE , insbesondere vom Mikroprozessor CPU, zur galvanischen Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises an das mechanische Trennkontaktsystem MK abgegeben werden, wie in Figur 3 eingezeichnet .
Die Ausgestaltung der Steuerungseinheit mit einer analogen ersten Teileinheit und eine digitale zweiten Teileinheit hat den besonderen Vorteil , dass eine ef fi ziente Architektur vorliegt . Die erste analoge Teileinheit kann einen sehr schnellen Vergleich von momentanen Werten und Schwellwerten durchführen, wodurch eine schnelle Kurzschlusserkennung möglich ist . Die zweite Teileinheit kann eine davon unabhängige Schwellwertberechnung bzw . Anpassung durchführen, erfindungsgemäß abhängig von der Höhe des Stromes , die nicht so schnell wie die Erkennung durchgeführt werden muss . Die Schwellwerte
können beispielsweise zwischengespeichert werden, um für einen schnellen Vergleich zur Verfügung zu stehen . Die Schwellwerte müssen nicht ständig angepasst werden .
Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung bzw . Variante gemäß der Figuren 1 bis 3 . Figur 4 zeigt einen Teil einer einfachen Variante der, bevorzugt analogen, ersten Teileinheit SEAE und einen Teil einer alternativen Variante der, bevorzug digitalen, zweiten Teileinheit SEDE auf .
Der Teil der einfachen Variante der ersten Teileinheit SEAE weist den Stromkomparator CIE auf , dem die momentanen Stromwerte DI , insbesondere beispielsweise deren Betrag, und die momentanen Stromschwellwerte SWI , insbesondere ebenso betragsbezogen, zugeführt werden . Der Stromkomparator CIE gibt in diesem Beispiel direkt das erste Unterbrechungssignal TRIP zur Unterbrechung des Niederspannungsstromkreises ab, analog zu den vorhergehenden Figuren . Die Betragsbildung kann durch eine oder weitere , nicht dargestellte Einheiten erfolgen . Der Teil der alternativen Variante der zweiten Teileinheit SEDE weist eine Netzsynchronisationseinheit NSE auf . Dieser werden die ( analogen) momentanen Spannungswerte DU zugeführt . Die Netzsynchronisationseinheit NSE ermittelt aus den zugeführten ( analogen) momentanen Spannungswerten DU, die z . B . eine sinus förmige Wechselspannung des Niederspannungsstromkreises sind, den Phasenwinkel cp ( t ) der Spannung .
Alternativ kann zusätzlich noch die Amplitude U und ein erwarteter Zeitwert der Spannung UE respektive Erwartungswert der Spannung UE ermittelt werden .
Der Erwartungswert der Spannung UE ist hierbei eine Art gefilterter bzw . regenerierter bzw . erzeugter äquivalenter momentaner Spannungswert DU .
Der Phasenwinkel cp ( t ) ( als auch der Erwartungswert der Spannung UE bzw . die Amplitude U) der Spannung DU können beispielsweise durch eine so genannte Phase Locked Loop respek-
tive Phasenregelschleife, kurz PLL, ermittelt werden. Eine PLL ist eine elektronische Schaltungsanordnung oder eine in Software programmierte Variante im Mikrocontroller, die die Phasenlage und damit zusammenhängend die Frequenz eines veränderbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflusst, dass die Phasenabweichung zwischen einem äußeren periodischen Referenzsignal (momentane Spannungswerte) und dem Oszillator oder einem daraus abgeleiteten Signal möglichst konstant ist.
Damit kann u.a. der Phasenwinkel cp ( t ) , die Grundfrequenz und deren Amplitude der zugeführten Netzspannung, d.h. der ermittelten Spannungswerte, ermittelt werden, d.h. z.B. auch der (ungestörte bzw. gefilterte) Erwartungswert der (Netz- ) Spannung .
Der von der Netzsynchronisationseinheit NSE ermittelte Phasenwinkel cp ( t ) (und eventuell die Amplitude U oder/und der erwartete Zeitwert der Spannung UE) werden einer Schwellwerteinheit SWE zugeführt. Die Schwellwerteinheit SWE kann eine (skalierte) Kurve für die (phasenbezogenen) momentanen Stromschwellwerte SWI aufweisen. Beispielsweise bei einer sinusförmigen Wechselspannung des Niederspannungsstromkreis eine (annähernd) sinusförmige Stromschwellwertkurve, d.h. einen in der Höhe sinusförmigen Verlauf der momentanen Stromschwellwerte SWI über den Phasenwinkel 0° bis 360° respektive der Periodendauer (bzw. der (korrespondierenden) Zeit) .
Das Schutzschaltgerät SG kann ein, insbesondere einziges, Einstellelement aufweisen. Mit diesem, insbesondere einzigen Einstellelement am Schutzschaltgerät SG, kann ein Grenzwert bzw. Maximalwert für den Stromschwellwert einstellbar sein. Alternativ kann der Grenzwert bzw. Maximalwert für den Stromschwellwert auch fest vorgeben bzw. programmiert sein.
Erfindungsgemäß wird dann die Stromschwellwertkurve hinsichtlich dieses mittels des Einstellelementes eingestellten bzw. fest vorgegebenen Grenzwertes bzw. Maximalwertes für den
Stromschwellwert skaliert. Beispielsweise kann die Amplitude (d.h. der Maximalwert) der Stromschwellwertkurve mit dem Grenzwert/Maximalwert für den Stromschwellwert skaliert werden .
Beispielsweise kann der Maximalwert des Stromschwellwertes bei dem 4-fachen der Amplitude eines Nennstromes (d.h. mindestens der Strom, den das Schutzschaltgerätes dauerhaft führen muss, Normenabhängig) des Schutzschaltgerätes liegen, beispielsweise weisen übliche Schutzschaltgeräte einen Nennstrom von z.B. 16 A auf. Daraus ergibt sich im Beispiel ein Maximalwert des Stromschwellwertes von: 90 A = (Wurzel 2) * 16 A * 4.
(Wurzel 2 => Amplitude des Nennstromwertes)
Die momentanen Stromschwellwerte SWI können durch das Vorliegen des Phasenwinkels cp ( t ) der Spannung in der Schwellwerteinheit SWE von dieser synchron zum momentanen Stromwert DI an den Stromkomparator CIE übermittelt werden, so dass ein phasenbezogener (phasenwinkelbezogener) Vergleich zwischen momentanen Stromwert DI und momentanen Stromschwellwert SWI erfolgen kann.
Figur 5 zeigt einerseits den Verlauf der Höhe einer netzseitigen Spannung Vgrid in Volt [V] , auf der linken vertikalen Achse, einer Periode einer sinusförmigen Wechselspannung über der Zeit t in s [s] , auf der horizontalen Achse. Beispielsweise einer sinusförmigen Wechselspannung im Niederspannungswechselstromkreis. Hierbei sind die momentanen Spannungswerte der Spannung über der Zeit angegeben, wobei die Zeit proportional zum Phasenwinkel ist (f = 50 Hz) .
Andererseits einen phasenwinkelbezogenen bzw. phasenwinkelabhängigen (betragsmäßigen) skalierten (0 bis 1) momentanen Stromschwellwert threshold, auf der rechten vertikalen Achse, über der Zeit t in s [s] . Der zeitliche (skalierte) Verlauf der momentanen Stromschwellwerte threshold entspricht dabei den (phasenbezogenen) momentanen Stromschwellwerten SWI.
Der zeitliche Verlauf des momentanen Stromschwellwertes (threshold) richtet sich hierbei nach dem betragsmäßigen Verlauf der Spannung, d.h. der Verlauf ist im Bereich der positiven Spannungshalbwelle gleich zum Verlauf im Bereich der negativen Spannungshalbwelle.
Der zeitliche (skalierte) Verlauf der momentanen Stromschwellwerte threshold wird entsprechend dem mittels des Einstellelementes eingestellten bzw. fest vorgegebenen Grenzwer- tes/Maximalwertes für den Stromschwellwert erfindungsgemäß skaliert. Z.B. wird die Amplitude (Skalierung 1) auf 100 A Eingestellt, oder z.B. dem 5-fachen Nennstrom. Bei einem Nennstrom von z.B. 16 A auf z.B.
5 * 16A * 1,414 (Wurzel 2) = 113 A (Wurzel 2 => Spitzenwert des Momentanwertes des Stromes) .
Im Allgemeinen entspricht der Verlauf der momentanen Stromschwellwerte threshold dem Verlauf der Spannung im Stromkreis, wie in Figur 5 dargestellt. D.h. beispielsweise bei einem dreieckigen Spannungsverlauf würde eine dreieckige Stromschwellwertkurve verwendet werden. Der Hintergrund ist der, dass die Höhe der Spannung die Höhe des (Kurzschluss- ) Stromes bestimmt. Erfindungsgemäß werden folglich bei hohem Strom niedrige Schwellwerte und bei niedrigem Strom hohe Schwellwerte verwendet, um eine schnelle, phasenwinkelunabhängige, Kurzschlusserkennung zu ermöglichen.
Gemäß Figur 5 weisen die (periodischen) momentanen Stromschwellwerte SWI einen Minimalwert auf. D.h. die Sinuskurve ist nicht ideal (nur näherungsweise bzw. annähernd sinusförmig) . Der Minimalwert ist größer als Null. Insbesondere ist der Minimalwert größer als 5%, 10% oder 20% des Maximalwertes- Spezieller kann dieser Minimalwert im Bereich 5 bis 20% vom Maximalwert liegen, beispielsweise (bei) 10% oder 15 %, d.h. der Amplitude der Stromschwellwertkurve threshold.
Der Minimalwert tritt an die Stelle bzw. im Bereich des Nulldurchganges der ( Sinus- ) Kurve für die Stromschwellwerte.
Bei einem zeitlich sinusförmigen Spannungsverlauf im Niederspannungswechselstromkreis sind die zeitlichen Verläufe von Spannung und Stromschwellwerten phasenbezogen derart synchronisiert, dass der Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert) der Spannung mit dem Zeitpunkt der Amplitude (Maximalwert) des Stromschwellwertes übereinstimmt, wie in Figur 5 gezeigt. Der Bereich des Nulldurchganges der Spannung stimmt ferner mit dem Bereich des Minimalwertes des Stromschwellwertes überein .
Die Phasenwinkelauflösung bestimmt die Schnelligkeit der Berechnung der Schwellwerte. Bei einer Phasenwinkelauflösung von 1°, d.h. für jeden vollen Phasenwinkel der Spannung liegt ein Schwellwert vor, d.h. etwa alle 55,5 ps liegt ein momentaner Schwellwert vor. Die Abschaltung erfolgt über bevorzugt über einen analogen Komparator, d.h. kontinuierlich, und ist damit deutlich schneller (z.B. im Nanosekunden-Bereich) als die Phasenwinkelauflösung.
Alternativ gilt bei einer voll digitalen Verarbeitung der folgende zeitliche Verlauf. Die Phasenwinkelauflösung bestimmt die Schnelligkeit der Erkennung. Bei einer Phasenwinkelauflösung von 1°, d.h. für jeden vollen Phasenwinkel der Spannung liegt ein Schwellwert vor, d.h. etwa alle 55,5 ps liegt ein momentaner Schwellwert vor, bedeutet dies, dass eine Abschaltung nach minimal ca. 60ps erfolgen kann. Bei höheren Phasenwinkelauflösungen lassen sich kürzere Abschaltzeiten erreichen.
In diesem Beispiel erfolgt dann eine Verarbeitung der Werte mit mindestens 18 kHz.
Die Stromschwellwerte können auch (skaliert) in einer Tabelle abgelegt sein, wobei dann der Wert ggfs. angepasst wird.
Die Stromschwellwerte können beispielsweise allgemein bzw. tabellenbezogen wie folgt berechnet werden:
Variante A (langsam, Mittelwert vom Effektivwert) :
Insbesondere aus dem digitalen momentanen Stromwerten wird ein über eine erste Zeitspanne gemittelter Ef fektivwert berechnet . Der gemittelte Ef fektivwert wird mit dem Nennstrom des Schutzgerätes auf eine Überschreitung verglichen . Der Stromschwellwert wird in Abhängigkeit von der Höhe der Überschreitung des gemittelten Ef fektivwertes über den Nennstrom angepasst . Insbesondere , dass der mindestens eine Stromschwellwert um einen von der Höhe der Überschreitung des Nennstromes abhängigen Prozentsatz reduziert wird, um einen angepassten ( reduzierten) Stromschwellwert zu erhalten .
Bei einer beispielsweisen Überschreitung des gemittelten Effektivwertes von 20% über den Nennstrom wird der Stromschwellwert um beispielsweise 30% reduziert . Andere Skalierungs faktoren des Stromschwellwertes sind ebenso möglich (beispielsweise könnten 30 % Überschreitung auch eine 20 % Reduzierung durchführen) . Als mögliche allgemeine Variante : Prozentsatz der Schwellwertreduzierung = Prozentsatz der Überschreitung multipli ziert mit einem ersten Skalierungs faktor .
Der erste Skalierungs faktor kann beispielsweise 1 sein, größer als eins , kleiner als eins .
Die erste Zeitspanne kann eine Netzperiode ( 20ms bei 50 Hz ) oder auch ein Viel faches (bis zum 50- fachen, d . h . 1 s ) einer Netzperiode sein .
Variante B ( schnell , Momentanwert ) :
Insbesondere aus dem digitalen momentanen Stromwerten wird ein über eine zweite Zeitspanne gemittelter Stromwert berechnet . Der gemittelte Stromwert wird mit dem Nennstrom des Schutzgerätes auf eine Überschreitung verglichen . Der Stromschwellwert wird in Abhängigkeit von der Höhe der Überschreitung des gemittelten Stromwertes über den Nennstrom angepasst . Insbesondere , dass der mindestens eine Stromschwellwert um einen von der Höhe der Überschreitung des Nennstromes abhängigen Prozentsatz reduziert wird, um einen angepassten ( reduzierten) Stromschwellwert zu erhalten .
Bei einer beispielsweisen Überschreitung des gemittelten Stromwertes von 100% über den Nennstrom wird der Stromschwellwert um beispielsweise 20% reduziert . Andere Skalierungs faktoren des Stromschwellwertes sind ebenso möglich (beispielsweise könnten 200 % Überschreitung auch eine 30 % Reduzierung durchführen) . Als mögliche allgemeine Variante : Prozentsatz der Schwellwertreduzierung = Prozentsatz der Überschreitung multipli ziert mit einem zweiten Skalierungsfaktor .
Der zweite Skalierungs faktor kann beispielsweise 1 sein oder kleiner als eins sein .
Die zweite Zeitspanne kann ein Teil einer Netzperiode ( 20ms bei 50 Hz ) sein . Beispielsweise kleiner als 10 ms , 5ms , insbesondere kleiner als 2 ms , 1 ms oder 0 , 1 ms ( j eder Zwischenwert ist möglich und of fenbart ) .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Aus führungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .