| JP2005019163 | RELAY DEVICE |
| WO/2005/048280 | ELECTRICAL CONTACTOR |
| JP2005032647 | DC RELAY |
ZUMBECK, Alexander (Unter der Windmühle 55, Bornheim, 53332, DE)
KRIECHEL, Ralph (Eisensteingrube 28, Alfter, 53347, DE)
ZUMBECK, Alexander (Unter der Windmühle 55, Bornheim, 53332, DE)
| Patentansprüche 1. Strommessverfahren für Schaltgeräte mit wenigstens zwei parallel geschalteten Strombahnen (L21; L22), wobei die Schaltgeräte mit einer Auslöseelektronik (7) ausgestattet sind und jede Strombahn (LI ; L21 ; L22; L3) mit einem Schaltkontakt (1; 2; 3; 4) verbunden ist, indem A) die durch die einzelnen Strombahnen (LI ; L21 ; L22; L3) fließenden Bahnströme (il ; i21 ; i22; i3) durch transformatorische Stromwandler (Wl ; W21 ; W22; W3) primärseitig erfasst und sekundär seitig zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden, B) jeder Sekundärstrom (ϋ'; Ϊ2Γ; i22'; i3') mittels einer Messanordnung (8) in ein analoges Messsignal (ul'; u21'; u22'; u3') umgewandelt wird, C) die analogen Messsignale (ul'; u21'; u22'; u3') in digitale Messwerte (ΙΓ; Ι2Γ; Ι2Γ; 13') umgewandelt werden, D) die digitalen Messwerte (ΙΓ; 13'), die nicht parallel geschalteten Strombahnen (LI; L3) zuzuordnen sind, unter Kompensation (Kn) der mit der transformatorischen Stromwandlung verbundenen nichtlinearen Übertragungscharakteristik (N) numerisch in erste Korrekturwerte (II; 13) umgebildet werden, die als ermittelte Stromwerte der zugehörigen Bahnströme (il ; i3) zur weiteren Auswertung zur Verfügung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Gruppe von parallel geschalteten Strombahnen (L21, L22) E) aus den zugehörigen digitalen Messwerten (12 , 122) sowohl der Summenwert (Ι2Γ+Ι221) als auch wenigstens ein Differenzbetragswert (I Ι2Γ - 122' I) gebildet wird, F) der Summenwert (Ι2 +Ι221) zur Kompensation (Kp) der mit der transformatorischen Stromwandlung verbundenen nichtlinearen Übertragungscharakteristik (N) mit Einbeziehung von mindestens einem Differenzbetragswert (I Ι2Γ - 122' I) numerisch in einen zweiten Korrekturwert (12) umgebildet wird, der als ermittelter Stromwert der Summe der zugehörigen Bahnströme (i21, i22) zur weiteren Auswertung zur Verfügung steht. 2. Strommessverfahren nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ab drei parallel geschalteten Strombahnen im Verfahrensschritt F lediglich der aus dem Verfahrensschritt E ermittelte höchste Differenzbetragswert Berücksichtigung findet. 3. Strommessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines vierpoligen Schaltgerätes, die Verfahrensschritte E und F auf die den beiden mittleren Strombahnen (L21; L22) zugeordneten digitalen Messwerte (Ι2Γ; 122') angewendet werden. 4. Strommessverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verteilung parallel geschalteter Strombahnen auf mehrere Schaltgeräte, lediglich die Auslöseelektronik (7) eines der Schaltgeräte aktiv ist und die Verfahrensschritte C bis F durchführt. |
Die Erfindung betrifft ein Strommessverfahren für Schaltgeräte, insbesondere Leistungsschalter oder Motorschutzschalter, für Niederspannung und Wechselstrom mit parallel geschalteten Strombahnen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es sind Ausführungen von Schaltgeräten, z.B. Leistungsschaltern, bekannt, bei denen
Strombahnen zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallel geschaltet sind. Auch sind
Ausführungen vierpoliger Schaltgeräte bekannt bei denen jeweils nur die beiden mittleren Strombahnen parallel geschaltet werden, um den Nennstrom zu erhöhen. Wenn diese
Schaltgeräte mit Überstromauslösern, insbesondere mit elektronischen Überstromauslösern ausgeführt sind, muss das Messsignal sowohl der beiden äußeren Strombahnen als auch das der beiden parallel geschalteten inneren Strombahnen erfasst und mit ausreichender Genauigkeit verarbeitet werden.
Üblicherweise wird die Messung der Überströme durch transformatorische Stromwandler mit Eisenkernen durchgeführt. Alternativ werden auch Rogowski-Spulen zur Messung eingesetzt. Weiterhin ist es erforderlich, die Messung der Stromsignale in allen Schalterpolen des Gerätes separat zu erfassen. Hierbei fließt in den beiden parallel geschalteten Strombahnen des mittleren Schalterpols theoretisch jeweils der halbe Strom der äußeren Schalterpole. Zur Messung werden üblicherweise entweder die Stromwandler der beiden parallel geschalteten Strombahnen mit einem anderen Übersetzungsverhältnis als die der äußeren Strombahnen ausgeführt sowie in Reihe geschaltet, oder sie werden bei gleichem Übersetzungsverhältnis parallel betrieben. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht in einer separaten Ausführung der analogen
Aufbereitung der Stromsignale, indem die Messanordnung, bestehend aus einem
Messwiderstand und gegebenenfalls einem Messverstärker, des mittleren Schalterpols gegenüber den Messanordnungen der äußeren Pole anders bemessen sind.
Die Stromwandler weisen üblicherweise eine gewisse nichtlineare Übertragungscharakteristik in Abhängigkeit vom Primärstrom auf, die in der Auslöseelektronik entsprechend kompensiert wird. Wird das Schaltgerät wie oben beschrieben symmetrisch mit Strom belastet so teilt sich der Nennstrom annähernd zu halben Teilen auf die beiden mittleren Strombahnen und jeweils zu ganzen Teilen auf die äußeren Strombahnen auf. Hierbei wird die Nichtlinearität der
Stromwandler in der Auswerteelektronik ausreichend kompensiert. Erfolgt jedoch, wie in der Realität nicht selten, eine unsymmetrische Belastung der Strombahnen oder sind die
Bahn wider stände der Strombahnen unterschiedlich, so ist die Aufteilung der Ströme in den parallel geschalteten Strombahnen des Schaltgeräts nicht mehr gleich. Aufgrund der
unterschiedlichen Arbeitspunkte auf der Übertragungskennlinie der beiden Stromwandler kommt es dabei in Abhängigkeit des primär fließenden Teilstromes zu einer Erhöhung der
Gesamttoleranz des Wandlerpaares. Dies hat eine falsche Erfassung der Ströme und damit unerwünscht eine größere Auslösetoleranz des Überstromauslösers, d.h. die Gefahr einer zu frühen oder zu späten Auslösung, zur Folge.
Aus der Druckschrift DE 1 950 319 A ist ein Leistungsschalter für Niederspannung und
Wechselstrom mit einer geraden Anzahl parallel geschalteter und gleichsinnig durchflo ssener Strombahnen, die je eine Schaltstelle und Stromschienen enthalten, bekannt. Zur Stabilisierung der Stromverteilung in den parallel geschalteten Strombahnen sind innerhalb des
Leistungsschalters jeweils zwei Stromschienen auf einen Teil ihrer Länge mit entgegengesetzten Stromrichtungen parallel zueinander angeordnet. Diese parallel liegenden
Stromschienenabschnitte sind von einem Eisenkern umschlossen. Die Schaltstellen sind nebeneinander angeordnet, und die Stromschienen sind anschließend an die Schaltstellen symmetrisch über Kreuz geführt und liegen im weiteren Verlauf übereinander. Der Nachteil dieser Anordnung besteht in dem volumen- und materialaufwändigem Aufbau. Außerdem ist das Problem der erhöhten Auslösetoleranz bei unsymmetrischen Polströmen weiterhin ungelöst.
Druckschrift DD 144 192 AI beschreibt eine Strommesseinrichtung für elektronische Auslöser zur Erfassung von Über- und Kurzschlussströmen in Leistungsschaltern mit zwei oder mehr parallel geschalteten Strombahnen pro Schalterpol. Rogowski-Spulen umfassen geometrisch jeweils die einem Schalterpol zugeordneten parallel geschalteten Strombahnen und sind elektrisch mit Integratoren verbunden, deren Ausgänge über eine Oder- Verknüpfung den elektronischen Auslöser beaufschlagen. Auch mit dieser Einrichtung wird das Problem der erhöhten Auslösetoleranz bei unsymmetrischen Polströmen nicht gelöst. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermeidung der größeren Auslösetoleranz bei unsymmetrischer Belastung des Schaltgerätes aufzuzeigen.
Ausgehend von einem Strommessverfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
Erfindungsgemäß wird in einem Verfahrens schritt aus den ermittelten digitalen Messwerten der jeweils zu einem Schaltpol parallel geschalteten Strombahnen nicht nur der Summenwert, sondern auch wenigstens ein Differenzwert gebildet. Bei zwei parallel geschalteten Strombahnen ergibt sich lediglich ein Differenzwert. Bei z.B. drei parallel geschalteten Strombahnen sind dies drei Differenzwerte und bei vier parallel geschalteten Strombahnen sechs Differenzwerte. Bei der im anschließenden Verfahrens schritt durchzuführenden Korrektur des Summenwertes zur Kompensation der mit der Stromwandlung verbundenen Nichtlinearität wird nun mindestens ein (bei zwei parallel geschalteten Strombahnen also genau ein) Differenzwert betragsmäßig als weiterer Parameter berücksichtigt. Damit besteht bei der Kompensation der nichtlinearen Charakteristik der Stromwandler ein mit der unsymmetrischen Verteilung der Ströme in den parallel geschalteten Strombahnen verbundener funktionaler Zusammenhang. In der Regel beeinflusst der Differenzwert das Ergebnis der Korrektur umso stärker, je größer sein Betrag ist. Die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelten und korrigierten Stromwerte stehen zur weiteren Auswertung, insbesondere für eine Überstromauslösung, zur Verfügung.
Durch das vorgeschlagene Verfahren werden bei unsymmetrischer Belastung der Strombahnen die Auslösetoleranzen auf ein zulässiges Maß begrenzt. In der Praxis werden die
Korrekturfunktionen sowohl für einzeln belassene Strombahnen als auch für die parallel verbundenen Strombahnen vom Gerätehersteller für jeden einsetzbaren Stromwandlertyp messtechnisch erfasst und softwaremäßig als Formelprogramm oder Wertetabelle im
Elektronikteil des Auslösers gespeichert.
Bei mehr als zwei parallel geschalteten Strombahnen ist es für nicht wenige Anwendungsfälle durchaus ausreichend, wenn bei der Korrekturwertbildung lediglich der größte
Differenzbetragswert als Parameter berücksichtigt wird. Wird das erfindungsgemäße Strommessverfahren auf ein vierpoliges Schaltgerät angewendet, dann ist es vorteilhaft, dessen beide mittlere Strombahnen parallel und die beiden äußeren Strombahnen einzeln zu betreiben. Auf diese Weise stehen drei Schaltpole mit optimaler Nennstromtragfähigkeit zur Verfügung.
Sind parallel geschaltete Strombahnen auf mehrere Schaltgeräte verteilt, dann wird die verfahrensgemäße digitale Verarbeitung und die weitere Auswertung der ermittelten Stromwerte von der Auslöseelektronik lediglich eines dieser Schaltgeräte durchgeführt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
Figur 1: die schematische Darstellung eines vierpoligen Schaltgerätes mit zwei parallel
geschalteten Strombahnen;
Figur 2: eine weitere schematische Darstellung des Schaltgerätes nach Fig. 1 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 3: ein Funktionsdiagramm als Detail aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt als Schaltgerät einen vierpoligen Leistungsschalter mit vier Strombahnen LI, L21, L22 und L3, die mit jeweils einem Schaltkontakt 1, 2, 3 bzw. 4 verbunden sind. Im Gegensatz zu den beiden äußeren Strombahnen LI und L3 sind die die beiden inneren Strombahnen L21 und L22 parallel geschaltet. Somit wird der Phasenstrom der mittleren Stromphase in zwei
Bahnströme i21 und i22 aufgeteilt. Die beiden äußeren Phasenströme werden nicht aufgeteilt und sind somit gleich den Bahnströmen il bzw. i3 . Mit dieser Maßnahme wird die
Nennstromtragfähigkeit des Schaltgerätes insgesamt erhöht. Das Schaltgerät ist mit eine
Auslösevorrichtung 5, die eine Auslöseelektronik 7 (siehe Fig. 2) enthält, ausgestattet. Die bei geschlossenen Schaltkontakten 1 bis 4 fließenden Bahnströme il, i21, i22 und i3 werden von der Auslösevorrichtung 5 erfasst. Im Kurzschlussfall bewirkt die Auslösevorrichtung 5 ohne nennenswerte Verzögerung über einen Betätigungsmechanismus 6 das Öffnen der Kontakte 1 bis 4 und damit die Unterbrechung des Stromflusses. Beim Auftreten von Überströmen, d.h. den jeweiligen Nennstrom des Schaltgerätes überschreitenden Bahnströmen il oder/und i21oder/und i22 oder/und i3, bewirkt die Auslösevorrichtung 5 über den Betätigungsmechanismus 6 das Öffnen der Kontakte 1 bis 4 mit einer von der Höhe des Überstromes bzw. der Überströme abhängigen Verzögerungszeit. Der letztgenannte Fall wird als Überstromauslösung bezeichnet. Durch unterschiedliche Ursachen, insbesondere durch ungleiche Bahn wider stände in den beiden parallel geschalteten Strombahnen L21 und L22 oder durch Unsymmetrien zwischen den
Phasenströmen, verteilen sich die mittleren Bahnströme i21 und i22 nicht mehr zu gleichen Teilen. Um auch bei diesen in der Realität nicht selten auftretenden Fällen einer ungleichen Aufteilung der Bahnströme i21 und i22 möglichst genau die Auslösebedingungen zu
gewährleisten, wird auf die Schaltgeräteanordnung von Fig. 1 das erfindungsgemäße
Strommessverfahren angewendet, das nachfolgend mit Hilfe von Fig. 2 beschrieben wird.
In einem ersten Verfahrensschritt werden in bekannter Weise die durch die einzelnen
Strombahnen LI, L21, L22 und L3 fließenden Bahnströme il, i21, i22 und i3 durch
transformatorische Stromwandler Wl, W21, W22 und W3 primärseitig erfasst und
sekundärseitig als Sekundärströme il', Ϊ2Γ, i22' und i3' zur Verfügung gestellt. Das Apostroph am Ende der Bezugszeichen soll im Folgenden darauf hindeuten, dass die betreffenden physikalischen Größen oder Werte von den tatsächlichen Größen bzw. Werten abweichen. Diese Abweichung ist durch die nichtlineare Übertragungscharakteristik N der Stromwandler Wl, W21, W22 und W3 verursacht, die insbesondere durch Sättigung des magnetischen Materials hervorgerufen wird. Die Sekundärströme il', Ϊ2Γ, i22' und i3' werden der Auslöseelektronik 7 zugeführt, und im folgenden Verfahrensschritt werden daraus mittels Messanordnungen 8 spannungsförmige Messsignale ul', u21', u22' und u3' erzeugt. Die Messanordnungen 8 bestehen üblicherweise jeweils aus einem Messverstärker und einem Messwiderstand.
Die analogen Messsignale ul', u21', u22' und u3' werden einem Mikrocontroller μC innerhalb der Auslöseelektronik 7 zugeführt und im nächsten Verfahrensschritt in digitale Messwerte ΙΓ, 12 , 122' und 13' umgewandelt. Die Analog-Digital- Wandlung 9 kann hardware- oder
softwaremäßig realisiert sein. Die digitalen Messwerte ΙΓ, Ι2 , 122' und 13' entsprechen nicht mit ausreichender Genauigkeit den Bahnströmen il, i21, i22 und i3 in den Strombahnen LI, L21, L22 bzw. L3 , da sie ihrer Entstehung nach der nichtlineare Übertragungscharakteristik N der Stromwandler Wl, W21, W22 und W3 unterworfen sind.
Die digitalen Messwerte ΙΓ und 13' für die beiden äußeren Schalterpole, deren Strombahnen LI bzw. L2 nicht mit anderen Strombahnen parallel geschaltet sind, werden nachfolgend mittels Verarbeitung durch eine Kompensation Kn, welche die mit der transformatorischen
Stromwandlung verbundenen Nichtlinearität N korrigiert, numerisch in erste Korrekturwerte II und 13 umgebildet. Die Kompensation Kn ist softwaremäßig als Tabelle oder Formelprogramm im Mikrocontroller μC abgelegt. Die ersten Korrekturwerte II und 13 entsprechen mit hinreichender Genauigkeit den Bahnströmen il und i3 und stehen nun als ermittelte Stromwerte der Auslöseelektronik 7 für die weitere Auswertung zur Verfügung.
Der vorstehend beschriebene Verfahrensschritt zur Gewinnung der ersten Korrekturwerte II und 13 würde angewandt auf die den parallel geschalteten Strombahnen L21 und L22 zugeordneten digitalen Messwerte 12 und 122' zu nicht hinnehmbaren Toleranzabweichungen führen. Daher werden erfindungsgemäß aus den beiden digitalen Messwerten 12 und 122' in einem
anschließenden Verfahrensschritt zunächst der Summenwert Ι2 +Ι22 1 und der
Differenzbetragswert 1 121'— 122' I gebildet. Die Summenbildung 10 sowie die
Differenzbetragsbildung 11 sind ebenfalls durch Software realisiert. In einem abschließenden Verfahrensschritt wird der Summenwert Ι2 +Ι22 1 mittels Verarbeitung durch eine
Kompensation Kp, welche die besagte Nichtlinearität N unter Berücksichtigung des
Differenzbetragswertes 1 121'— 122' I korrigiert, numerisch in einen zweiten Korrekturwert 12 umgebildet. Die von den zwei Eingangswerten Summenwert Ι2 +Ι22 1 sowie
Differenzbetragswert 1 121'— 122' I abhängige Kompensation Kp ist ebenfalls als Tabelle oder Formelprogramm im Mikrocontroller μC abgelegt. Der zweite Korrekturwert 12 entspricht nun auch bei ungleicher Aufteilung der Bahnströme i21 und i22 mit hinreichender Genauigkeit der Summe der Teilströme i21 und i22 und steht nun als ermittelter Stromwert der Auslöseelektronik 7 für die weitere Auswertung zur Verfügung.
In dem Funktionsdiagramm von Fig. 3 ist mit der unterbrochenen Linie die nichtlineare
Übertragungscharakteristik N der transformatorischen Stromwandler Wl, W21, W22 und W3 schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, wie der sekundärseitige Strom (hier mit V
bezeichnet) mit ansteigenden Werten infolge der Sättigungserscheinungen der Stromwandler zunehmend von einem linearen Zusammenhang mit dem primärseitigen Strom (hier mit i bezeichnet) abweicht. In dem Funktionsdiagramm ist weiterhin mit den durchgezogenen Linien die Kompensation Kp der nichtlinearen Übertragungscharakteristik N schematisch dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Bildung des zweiten Korrekturwertes 12, der die Summe der parallelen mittleren Bahnströme i21 und i22 repräsentiert, bei größer werdenden Summenwerten Ι2 +Ι22 1 mit einer zunehmenden Korrektur verbunden ist. In Fig. 3 sollen die drei Kurvenverläufe für die Kompensation Kp voneinander abweichende Korrekturverläufe bei unterschiedlichen Differenzbetragswerten I Ι2Γ - 122' I, d.h. den funktionalen Zusammenhang der Kompensation Kp von der Stromaufteilung auf die beiden mittleren Strombahnen L21 und L22, andeuten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden
Ausführungsformen. So lässt sich die Erfindung beispielsweise auch auf Schaltgeräte oder Schaltgeräteanordnungen mit mehr als zwei parallel geschalteten Strombahnen, die im Bedarfsfall auf mehrere Schaltgeräte verteilt sind, anwenden.
Bezugszeichenliste:
1 ... 4 Schaltkontakt
5 Auslösevorrichtung
6 Betätigungsmechanismus
7 Au slö seelektronik
8 Messanordnung
9 Analog-Digital- Wandlung
10 Summenbildung
11 Differenzbildung il; i21; i22; i3 Bahnstrom
il'; Ϊ2Γ; i22'; i3' Sekundärstrom
II; 12; 13 Korrekturwert
ΙΓ; Ι2Γ; 122'; 13' digitaler Messwert Kn; Kp Kompensation
L1; L21; L22; L3 Strombahn
N Übertragungscharakteristik ul'; u21'; u22'; u3' Messsignal
Wl; W21; W22; W3 Stromwandler
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