ANDOCKMODUL FÜR EINEN STROMWANDLER ZUR VERMEIDUNG VON ÜBERSPANNUNGEN UND

STROMWANDLER MIT EINEM ANDOCKMODUL

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Andockmodul für einen Stromwandler umfassend eine elektronische Schaltung, vorzugsweise eine Schutzschaltung für den Stromwandler zum Verhindern, dass eine Sekundärspannung an einem Sekundärkreis des

Stromwandlers einen Sekundärspannungsschwellwert

überschreitet. Die Erfindung betrifft ferner einen

Stromwandler mit einem Andockmodul.

Hintergrund der Erfindung

Stromwandler arbeiten im Allgemeinen mit einer niederohmigen Bürde von weniger als einem Ohm, beispielsweise beim Einsatz eines Strommessgeräts im Sekundärkreis. Da die

Sekundärspannung proportional zur Bürde ist, kann bei einem leerlaufenden Sekundäranschluss die Spannung an den

Sekundärklemmen unzulässig hohe Werte annehmen. Um

diesbezüglich einen Schutz des Wandlers bei Unterbrechung seines sekundärseitigen Kurzschlusses zu erzielen,

beispielsweise bei Entfernung des Messgeräts einschließlich seines Shunt-Widerstands , sind Schutzschalter bekannt, die beim Auftreten unzulässig hoher Sekundärspannungen den

Kurzschluss wieder herstellen.

Die bei einem offenen Sekundärkreis des Stromwandlers entstehenden Spannungsspitzen können sehr hoch und damit lebensgefährlich sein und können zudem zur Zerstörung des Stromwandlers führen. Als Abhilfe sind Einrichtungen bekannt, die unverzögert, beispielsweise mittels Dioden oder Relais, oder verzögert kurzschließen. Für den verzögerten Kurzschluss sind

Ausführungen bekannt, die periodisch, beispielsweise mittels eines Thermistors, oder dauernd, beispielsweise nach

Erweichung eines Abstandhalters, kurzschließen.

Einrichtungen, die beim Abheben einer Sekundär-Abdeckung oder Abziehen eines Steckers kurzschließen, sind insofern

problematisch, als sie bei Unterbrechung an anderer Stelle des Sekundärkreises nicht wirken.

Relais können so ausgeführt sein, dass sie den Stromwandler- Sekundärkreis nach Beseitigung der Unterbrechung selbsttätig und ohne größere Verzögerung wieder freigeben.

Eine solche Einrichtung lässt sich allerdings in einem

Sekundärklemmenkasten eines Stromwandlers im Allgemeinen nicht unterbringen. Außerdem ist sie teuer und genügt

hinsichtlich der Betriebssicherheit und Wetterbeständigkeit nicht immer den hohen betrieblichen Anforderungen.

So ist aus der FR 1 178 783 ein Schutzschalter bekannt, bei welchem ein spannungsabhängiges Schaltungselement beim

Auftreten unzulässig hoher Sekundärspannungen einen von dem Stromwandler gespeisten Schalter betätigt. Parallel zur

Sekundärwicklung und zur Bürde des Wandlers liegt eine

Reihenschaltung von zwei antiparallel geschalteten

Gleichrichtern und einem als Thermorelais ausgebildeten

Relais. Falls die Sekundärspannung einen kritischen Wert erreicht, spricht das Relais an und schließt dabei einen Kontakt, der einen Kurzschlusspfad herstellt, der entweder nur die Gleichrichter oder die Reihenschaltung aus Gleichrichtern und Relais überbrückt.

Nachteilig bei diesem bekannten Schutzschalter ist, dass er eine hohe Trägheit besitzt, so dass sowohl das Ansprechen, als auch die Wiederherstellung des normalen Betriebszustandes nach Abklingen der unzulässig hohen Sekundärspannung, zeitverzögert ausgeführt werden. Ferner lässt sich ein solcher Schutzschalter, aufgrund seiner Größe, nur schwer im Sekundärklemmenkasten des Stromwandlers unterbringen, ist zudem teuer und ist problematisch hinsichtlich der

Betriebssicherheit .

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Schutzschaltung für einen Stromwandler hinsichtlich höherer Reaktionsgeschwindigkeit, höheren Belastungsstroms, höherer Betriebssicherheit, geringeren Bauvolumens und geringerer Herstellkosten weiterzuentwickeln.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und

Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Merkmale der Weiterbildungen können, soweit technisch sinnvoll, miteinander und mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche kombiniert werden.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Andockmodul für einen Stromwandler. Das Andockmodul befindet sich vorzugsweise außerhalb eines Stromwandlers und kann an den Stromwandler mittels mechanischem Befestigen angedockt oder angekoppelt werden. Das Andockmodul kann eine elektronische Schaltung für den Stromwandler und mindestens ein elektrisches Verbindungselement zum elektrischen Koppeln der Schaltung mit dem Stromwandler und zum Andocken des Andockmoduls an den Stromwandler umfassen.

Hierbei umfasst vorzugsweise das Andocken das mechanische Befestigen des Andockmoduls an den Stromwandler. Das

bedeutet, dass sich das Andockmodul (22) außerhalb des

Stromwandlers (10) befindet und an den Stromwandler (10) mittels mechanischem Befestigen andockbar oder ankoppelbar ist. Um das Andocken zu ermöglichen kann der Stromwandler in einem Außenbereich mindestens eine Öffnung aufweisen, in welche das mindestens eine Verbindungselement einsteckbar ist .

Vorzugsweise umfasst das Andockmodul zwei elektrische

Verbindungselemente, insbesondere zum Bereitstellen einer Spannung oder zum Übertragen eines Stroms über die

Verbindungselemente oder zum Herstellen eines Kurzschlusses zwischen den Verbindungselementen. Der Kurzschluss kann vorzugsweise dann hergestellt werden, wenn i) die Schaltung als eine Schutzschaltung ausgebildet ist und ii) die Spannung zwischen den Verbindungselementen einen Schwellwert

überschreitet .

Das Andockmodul kann auch eine Schaltung umfassen, die eine von einer Schutzschaltung verschiedene Funktion bereitstellt, beispielsweise einen Shunt-Widerstand .

Vorteilhafter Weise ermöglich das vorliegende Konzept ein leichtes, effizientes und unproblematisches Koppeln oder Andocken des Andockmoduls an den Stromwandler. Besonders vorteilhaft ist ein solches Andocken wenn der Stromwandler nachträglich um die in dem Andockmodul implementierte Funktionalität erweitert werden soll. Hierbei heißt

nachträglich, dass ein Nutzer zunächst einen Stromwandler hat, welcher die in dem Andockmodul implementierte

Funktionalität nicht aufweist; wenn der Stromwandler um die in dem Andockmodul implementierte Funktionalität erweitert werden soll, dann kann der Stromwandler mit dem Andockmodul nachgerüstet werden. Das Andockmodul kann damit als

Nachrüstmodul angesehen werden. Der Stromwandler ist im Wesentlichen ein kurzgeschlossener Transformator, der zum potentialfreien Messen von

Wechselströmen verwendet wird. Er dient vorzugsweise zur Speisung von Strommessgeräten oder Energiezählern. Die Primärwicklung des Stromwandlers besteht häufig aus einer einzigen Windung, beispielsweise einer Kupferschiene, während die Sekundärwicklung eine höhere Windungszahl hat. Das bedeutet, dass bei Leerlauf die Spannung des Primärkreises auf eine noch höhere Spannung im Sekundärkreis transformiert wird. Die hohe Spannung im Sekundärkreis kann zu einer

Personengefährdung oder zu einer Zerstörung des Stromwandlers führen .

Die Schaltung kann eine Schutzschaltung für den Stromwandler sein. Die Schutzschaltung dient zum Verhindern, dass eine Sekundärspannung an einem Sekundärkreis des Stromwandlers einen Sekundärspannungsschwellwert überschreitet. Der

Sekundärspannungsschwellwert kann beispielsweise einen bei der Herstellung der Schutzschaltung voreingestellter Wert oder einen durch eine Bedienperson einstellbaren Wert

aufweisen . Die Schutzschaltung kann einen Schutzschaltungseingang aufweisen, vorzugsweise in Form von Kontaktstiften oder eines Klemmenpaares, der an den Sekundärkreis des Stromwandlers koppelbar ist, so dass die Sekundärspannung an dem

Schutzschaltungseingang anliegt.

Die Schutzschaltung kann ferner eine mit dem

Schutzschaltungseingang verbundene Steuereinheit, sowie eine mit dem Schutzschaltungseingang verbundene Schaltereinheit, die mit der Steuereinheit ansteuerbar verbunden ist,

umfassen .

Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, unter

Ansprechen auf ein Überschreiten des

Sekundärspannungsschwellwerts durch die Sekundärspannung, ein Steuersignal an die Schaltereinheit bereitzustellen. Der Wert der Sekundärspannung, der mit dem

Sekundärspannungsschwellwert verglichen wird, kann eine

Amplitude, ein Mittelwert, Momentanwert oder Effektivwert der Sekundärspannung sein.

Die Steuereinheit kann in Form einer elektronischen

Schaltung, beispielsweise auf Halbleiterbasis, insbesondere in Gestalt eines integrierten Schaltkreises, implementiert sein.

Die Schaltereinheit kann dazu ausgebildet sein, unter

Ansprechen auf das von der Steuereinheit bereitgestellte Steuersignal, den Schutzschaltungseingang kurzzuschließen. Das Steuersignal kann auf der Leitung, welche die

Steuereinheit mit der Schaltereinheit verbindet, in Form einer Spannung bereitgestellt werden, die beim Überschreiten oder unter Ansprechen auf das Überschreiten des Sekundärspannungsschwellwerts ihren Wert ändert, beispielsweise von LOW auf HIGH oder umgekehrt.

Unter Kurzschließen des Schutzschaltungseingangs kann

verstanden werden, dass das Schaltelement einen niederohmigen Widerstand in Höhe von weniger als 10 Ω, oder 1 Ω, oder 0,1 Ω, annimmt, der somit an den Schutzschaltungseingang

geschaltet wird. Die Schaltereinheit kann als eine Halbleiterschaltung

ausgebildet sein. Die Halbleiterschaltung kann vorzugsweise als ein Halbleiterschalter oder Halbleiterrelais ausgebildet sein. Hierbei kann unter Halbleiterschalter ein auf

Halbleiterbasis implementierter Schalter verstanden werden. Unter Halbleiterrelais kann ein auf Halbleiterbasis

implementiertes Relais verstanden werden.

Gegenüber elektromechanischen Relais (EMR) bieten auf

Halbleiterbasis implementierte Schalter oder Relais eine Vielzahl von Vorteilen:

- Halbleiterschalter sind typischerweise kleiner als EMRs, wodurch sich eine deutliche Platzeinsparung auf

gedruckten Leiterplatten ergibt.

- Halbleiterschalter bieten eine bessere

Systemzuverlässigkeit, da sie keine beweglichen Bauteile haben oder Kontakte die sich abnutzen könnten.

- Halbleiterschalter schalten prellfrei.

- Halbleiterschalter bieten bessere System- Lebenszeitkosten, einschließlich einer einfacheren

Schaltung mit geringeren Anforderungen an

Stromversorgung und die Wärmeabfuhr. - Halbleiterschalter können Surface-Mount-Technologie

(SMT) nutzen, was geringere Bestückungskosten und eine einfache Leiterplattenmontage zur Folge hat.

- Halbleiterschalter können nicht durch Magnetfelder

beeinträchtigt werden.

- Halbleiterschalter sind unempfindlich gegenüber

mechanischen Einflüssen wie Schock und Vibration.

- Halbleiterschalter erzeugen keine elektromagnetischen Störungen und sind auch nicht empfindlich gegenüber diesen Einflüssen (EMV, EMI) .

- Halbleiterschalter können auf gedruckten Leiterplatten vorteilhaft wie ICs verarbeitet werden.

Die Schaltung, insbesondere die Schutzschaltung, kann auf einer Schaltungsplatine aufgebaut sein, wobei das

Verbindungselement über die Schaltungsplatine hinaus und/oder aus dem Andockmodul heraus ragen kann. Hierbei kann das

Verbindungselement als eine zungenförmige Lasche ausgebildet sein, die aus dem Gehäuse oder dem Andockmodul herausragt, wobei die Lasche insbesondere als eine zungenförmige

Ausbuchtung der Schaltungsplatine ausgebildet ist.

Das Andockmodul umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, in welchem die Schaltung, insbesondere die Schutzschaltung,

untergebracht ist. Das Gehäuse kann aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, beispielsweise Spezialkeramik mit hohen Aluminiumoxidanteilen, Steatit, Porzellan, Glas, Kunststoff, glasfaserverstärkter oder hydrophober Kunststoff. Aufgrund der hohen Ströme, die bei einem Kurzschluss zu erwarten sind, ist ein niedriger Kontaktwiderstand an dem Verbindungselement sehr wichtig. Daher kann die Lasche einseitig oder beidseitig mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere mit einem Metall, vorzugsweise mit Gold, Silber oder Kupfer, beschichtet sein.

Die beidseitigen Beschichtungen der Lasche können über eine Durchkontaktierung der Schaltungsplatine miteinander

verbunden sein. Der Vorteil der Durchkontaktierung liegt in dem verbesserten elektrischen Kontakt (beidseitig, oben und unten) mit einem entsprechenden Element, vorzugsweise einem Sekundäranschluss , des Stromwandlers. Sofern die

Beschichtungen der Lasche gegebenenfalls nicht miteinander verbunden sind, können mit einer Lasche oder einem

Verbindungselement zwei elektrische Verbindungen

bereitgestellt werden.

Das Verbindungselement kann mittels eines

Anspannungselements, vorzugsweise einer Schraube, an den Stromwandler angepresst sein oder angepresst werden, wobei vorzugsweise das Verbindungselement in einem dem Stromwandler zugewandten Endbereich eine Kerbe aufweist. Das Anpressen des Verbindungselements an den Stromwandler kann zum Herstellen oder Verbessern eines elektrischen Kontakts mit dem

Stromwandler, vorzugsweise mit einem der Sekundäranschlüsse des Stromwandlers, dienen. Das Anziehen des

Anspannungselements kann auch zum Festmachen, Anmontieren oder Anlegen des Andockmoduls an den Stromwandler dienen.

Das Andocken umfasst das Herstellen oder Verbessern eines elektrischen Kontakts zwischen Verbindungselement und

Stromwandler. Zum Andocken des Andockmoduls ist vorzugsweise folgendes Vorgehen möglich: i) die Schraube wird gelockert, ii) das Verbindungelement wird in die komplementäre, auf der Stromwandler-Seite bereitstehende Öffnung eingeschoben, iii) die Schraube wird angezogen, wodurch der elektrische Kontakt zum Stromwandler hergestellt ist oder das Andockmodul an den Stromwandler anmontiert ist.

Vorzugsweise weist das Gehäuse Rastelemente auf, die dazu ausgebildet sind, mit Rastelementen der Schaltungsplatine zusammenzuwirken, um einen Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine an das Gehäuse zu bilden. Mittels des Rastmechanismus kann die Schaltungsplatine in das Gehäuse geschoben und dort verrastet werden. Der Rastmechanismus dient insbesondere zum Herstellen einer schwer lösbaren, vorzugsweise nicht lösbaren, mechanischen Verbindung der Schaltungsplatine mit dem Gehäuse.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen

Stromwandler, vorzugsweise einen Durchsteckwandler, an den ein Andockmodul gemäß obiger Beschreibung andockbar oder koppelbar ist.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass

- die Baugröße der Schutzschaltung gegenüber herkömmlichen Schutzschaltungen sehr viel geringer ist,

- ein Stromwandler mit integrierter Schutzschaltung

bereitgestellt werden kann, der sich bezüglich seiner Abmessungen nicht oder nur geringfügig von einem

herkömmlichen Stromwandler unterscheidet, und

- eine sehr geringe Reaktionszeit der Schutzschaltung

gewährleistet ist.

Weitere Vorteile der Erfindung hängen unter anderen mit der Realisierung von Steuereinheit und Schaltereinheit auf

Halbleiterbasis zusammen. Die Merkmale der nachfolgenden Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung können mit den obigen

Aspekten der Erfindung kombiniert werden. Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit direkt mit dem Schutzschaltungseingang verbunden sein.

Ferner kann die Schaltereinheit direkt mit dem

Schutzschaltungseingang verbunden sein.

Hierbei heißt „direkt verbunden", dass die Komponente

„Steuereinheit" und/oder „Schaltereinheit" unmittelbar an den Schutzschaltungseingang gekoppelt oder damit verbunden ist, wobei sich keine elektrischen oder mechanischen Elemente zwischen der Komponente und dem Schutzschaltungseingang befinden .

Die Schutzschaltung kann eine mit dem Schutzschaltungseingang verbundene Begrenzungseinheit für einen Überspannungsschutz umfassen. Die Begrenzungseinheit kann einen

spannungsabhängigen Widerstand umfassen. Der

spannungsabhängige Widerstand hat einen konstanten Wert, solange die an der Begrenzungseinheit anliegende Spannung unter einem Schwellwert liegt. Wenn die Spannung den

Schwellwert überschreitet, reduziert der Widerstand seinen

Wert, so dass sich der Strom durch den Widerstand erhöht und die am Widerstand anliegende Spannung den Schwellwert nicht überschreitet . Vorteilhafter Weise ergänzen und unterstützen sich

Begrenzungseinheit, Schalteinheit und Steuereinheit

gegenseitig bezüglich der Schutzfunktion für den

Stromwandler. Einerseits, weil die Schalteinheit für größere Ströme als die Begrenzungseinheit ausgelegt ist. Gemeinsam können die Komponenten Schalteinheit und Begrenzungseinheit einen größeren Strom ertragen als jede Komponente für sich allein .

Auf der anderen Seite unterstützt die Begrenzungseinheit die Steuereinheit, weil mittels der Parallelschaltung von

Begrenzungseinheit und Steuereinheit eine definierte Spannung an den Eingang der Steuereinheit bereitgestellt oder

ermöglicht wird. Damit kann die Wahrscheinlichkeit einer

Beschädigung der Steuereinheit durch eine überhöhte Spannung am Eingang der Steuereinheit reduziert werden.

Zudem ermöglicht die Verwendung der Begrenzungseinheit einen Einsatz von Komponenten für die Steuereinheit und

Schalteinheit, die nicht für hohe Spannungen ausgelegt sind, so dass dafür preiswerte Komponenten eingesetzt werden können . Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit eine

Komparatoreinheit umfassen, welche dazu ausgebildet ist, das Steuersignal an die Schaltereinheit bereitzustellen, falls eine Eingangsspannung der Komparatoreinheit einen Schwellwert überschreitet .

Die Steuereinheit kann ferner einen mit dem

Schutzschaltungseingang verbundenen Gleichrichter umfassen zum Bereitstellen einer von einer Amplitude der

Sekundärspannung abhängigen, insbesondere pulsierenden, Gleichspannung als Eingangsspannung der Komparatoreinheit.

Vorteilhafter Weise ermöglich der Gleichrichter eine Reaktion der Steuereinheit sowohl während negativer als auch positiver Halbwellen der Sekundärspannung, was eine weitere Verkürzung der Reaktionszeit ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Komparatoreinheit einen Komparator umfassen mit einem positiven Eingang, einem negativen Eingang an welchem eine Spannung in Höhe von etwa der Eingangsspannung der Komparatoreinheit anliegt, und einem Ausgang, welcher das Steuersignal bereitstellt. Die Komparatoreinheit kann ferner einen Spannungsteiler umfassen, wobei der positive Eingang mit der Eingangsspannung der Komparatoreinheit über den Spannungsteiler verbunden ist. Dadurch kann dem positiven Eingang des Komparators eine gemäß dem Teilungsverhältnis des Spannungsteilers reduzierte

Eingangsspannung zugeführt werden.

Die Komparatoreinheit kann auch eine Zener-Diode umfassen, die mit dem negativen Eingang verbunden ist, zum Begrenzen einer am negativen Eingang anliegenden Spannung. Damit ist gewährleistet, dass am negativen Eingang des Komparators maximal die Durchbruchsspannung der Zener-Diode anliegt.

Die Komparatoreinheit kann einen Kondensator umfassen, der mit dem positiven Eingang verbunden ist.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Schaltereinheit mehrere MOSFETs umfassen.

Vorteilhafter Weise kann die Schaltereinheit zwei in einer Back-to-Back Schaltung angeordnete MOSFETs umfassen. Hierbei können die Drain-Anschlüsse der Transistoren jeweils mit den Klemmen des Schutzschaltungseingangs verbunden sein, und die Gates können mit der Steuereinheit zum Zuführen des Steuersignals verbunden sein. Die Back-to-Back Schaltung ist vorteilhafter Weise für sehr hohe Ströme verwendbar. Zudem ist die Back-to-Back Schaltung wechselspannungsfähig, da ein Stromfluss in beide Richtungen möglich ist.

Die Schaltereinheit kann insbesondere einen Solid-State Relay (SSR) umfassen.

Alternativ kann die Schaltereinheit einen Thyristor,

vorzugsweise einen Triac, umfassen. Ein Triac hat bis zu seiner Sperrspannung einen sehr hohen Innenwiderstand, so dass er die Messgenauigkeit des Stromwandlers nicht

beeinflusst. Andererseits sinkt sein Innenwiderstand sehr schnell nach seiner Ansteuerung auf Werte << 1 Ω, so dass dann ein sekundärer Kurzschluss des Wandlers hergestellt wird .

Die Schaltereinheit kann einen Optokoppler zum Einkoppeln des Steuersignals umfassen. Damit wird kann die Schaltereinheit gegenüber der Steuereinheit galvanisch entkoppelt werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Begrenzungseinheit eine Suppressordiode (englisch: Transient Absorption Zener / TAZ- Diode, oder Transient Voltage Suppressor / TVS-Diode) umfassen. Die Suppressordiode bewirkt einen Schutz des

Schutzschaltungseingangs, sowie aller damit verbundenen

Komponenten wie Sekundärkreis, Steuereinheit oder

Schaltereinheit, vor kurzzeitigen Überspannungsimpulsen. Alternativ oder ergänzend kann die Begrenzungseinheit einen Varistor und/oder einen Gasabieiter zum Schutz des

Schutzschaltungseingangs vor kurzzeitigen

Überspannungsimpulsen umfassen. Gemäß einer Ausführungsform kann die Schutzschaltung unmittelbar an dem Stromwandler, genauer in dem Gehäuse des Stromwandlers, vorzugsweise in einem Sekundärklemmenkasten des Stromwandlers, beherbergt sein. Hierbei kann ein

Stromwandlergehäuse derart ausgebildet sein, dass es den Sekundärklemmenkasten, in welchem Sekundärkreisklemmen des Stromwandlers angeordnet sind, sowie ein

Sekundärkreisgehäuse, worin die Sekundärspule des

Stromwandlers angeordnet ist, umfasst.

Eine derartige Unterbringung der Schutzschaltung ermöglicht für eine aus Stromwandler und Schutzschaltung bestehende Anordnung, aufgrund der kompakten Bauweise, eine erhöhte Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von

Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die

Zeichnungen näher erläutert. Dabei verweisen gleiche

Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente. Die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können

miteinander kombiniert werden.

Kurzbeschreibung der Figuren

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten

Ausführungsform der SchutzSchaltung im Zusammenspie mit einem Stromwandle

Fig. 2 eine schematische Dar Stellung einer zweiten

Ausführungsform der SchutzSchaltung im Zusammenspie mit einem Stromwandle Fig. 3 eine schematische Detail-Darstellung der zweiten

Ausführungsform der Schutzschaltung,

Fig. 4 ein Strom-Spannungs-Diagramm einer Suppressordiode, Fig. 5a eine perspektivische Darstellung eines

Stromwandlers ,

Fig. 5a eine Schnittdarstellung des Stromwandlers,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Schaltung, die

Teil eines Andockmoduls ist,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Andockmoduls, Fig. 8a eine perspektivische Darstellung eines Stromwandlers umfassend das Andockmodul, und

Fig. 8b eine perspektivische Darstellung eines Stromwandlers umfassend das Andockmodul, mit freigelegter Einsicht in das Andockmodul .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung der als

Schutzschaltung ausgebildeten Schaltung 12, die Teil eines Andockmoduls 22 ist, welches zwei Verbindungselemente 28.3 aufweist. Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung des Andockmoduls 22, worin auch das Gehäuse 26 des Andockmoduls 22 erkennbar ist.

Die Schaltung 12 ist auf einer Schaltungsplatine 28

aufgebaut, wobei die Verbindungselemente 28.3 über die

Schaltungsplatine 28 und aus dem Andockmodul 22 heraus ragen, was in Fig. 7 erkennbar ist. Hierbei sind die

Verbindungselemente als zungenförmige Laschen 28.3

ausgebildet, die aus dem Gehäuse 26 des Andockmoduls 22 herausragen, wobei die Laschen 28.3 insbesondere als

zungenförmige Ausbuchtungen der Schaltungsplatine 28

ausgebildet sind. Hierbei sind die Laschen 28.3 beidseitig (obere Fläche und untere Fläche) vergoldet. Die Verbindungselemente 28.3 sind mittels Schrauben 30 an den Stromwandler 10 anpressbar, wobei die Verbindungselemente 28.3 in dem Stromwandler 10 zugewandten Endbereichen Kerben aufweisen. Zum Andocken des Andockmoduls 22 ist folgendes Vorgehen vorgesehen:

i) die Schrauben 30 werden gelockert,

ii) die Verbindungelemente 28.3 werden in komplementäre, auf der Stromwandler-Seite bereitstehenden Öffnungen 38 eingeschoben, und

iii) die Schrauben 30 werden angezogen, wodurch der

elektrische Kontakt zum Stromwandler 10 hergestellt ist und zugleich die Verbindungelemente 28.3 an den Stromwandler 10 festgemacht oder anmontiert werden.

In einem in den Öffnungen 38 des Stromwandlers 10

eingeschobenen Zustand der Verbindungelemente 28.3 stellen diese eine elektrische Verbindung zwischen den

Sekundäranschlüssen 10.1 des Stromwandlers 10 und einem

Eingang 12.1 der Schutzschaltung 12 her (die Öffnungen 38 sind in Fig. 5a erkennbar) . In dem Stromwandler 10 liegen Schraubenanschlüsse vor, welche beim Anziehen der Schrauben 30 einen elektrischen Kontakt zwischen den

Sekundäranschlüssen 10.1 des Stromwandlers 10 und den

Verbindungelementen 28.3 herstellen.

Durch die paarig angeordneten Schrauben 30 können das als Nachrüstmodul ausgebildete Andockmodul 22 von der einen Seite und die Verbindungskabel 36 zum Strommessgerät 20 auf der anderen Seite des Strommesswandlers 10 angebracht werden. Entsprechende Kontaktelemente (auf einer Seite zum

Andockmodul 22 hin und auf der Gegenseite zu den

Verbindungskabeln 36 hin) sind in dem Strommesswandler 10 bereits vorhanden, so dass die Verbindungskabel 36 und/oder das Andockmodul 22 jederzeit an den Strommesswandler 10 festgemacht werden können. So kann das Nachrüstmodul auch bereits vor der Montage des Strommesswandlers 10 an den

Strommesswandler 10 befestigt werden, was die Montage vor Ort erheblich erleichtert.

Oberhalb der Schrauben 30 sind Schieber 40 angeordnet (siehe Fig. 5a), die in einem eingeschobenen Zustand den Raum oberhalb der Schrauben 30 abdecken und das Eindringen von

Staub ins Innere des Andockmoduls 22 verhindern, und in einem ausgeschobenen Zustand einen Zugang zu den Schrauben 30 ermöglichen . Wie in Fig. 6 und Fig. 7 erkennbar ist, weist das Gehäuse 26 Rastelemente 26.1, 26.2 auf, die dazu ausgebildet sind, mit Rastelementen 28.1, 28.2 der Schaltungsplatine 28

zusammenzuwirken, um einen Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine 28 an das Gehäuse 26 zu bilden.

Das Gehäuse 26 umfasst in einem seitlichen Innenbereich und Öffnungsbereich eine Rippe mit einer Nut 26.2, die

vorzugsweise entlang oder parallel zu Seitenkanten des

Gehäuses 26 verlaufen. Die Nut 26.2 ist an der Öffnung des Gehäuses 26 mit einem Nutende 26.1 geschlossen. Komplementär zu den Rastelementen des Gehäuses 26 weist die

Schaltungsplatine 28 Rastelemente 28.1, 28.2 auf, umfassend einen überstehenden Damm 28.1 mit einer Dammecke 28.2. Vorzugsweise sind die Rastelemente Nutende 26.1, Nut 26.2 und Damm 28.1 mit Dammecke 28.2 jeweils paarweise ausgebildet. In einem in dem Gehäuse 26 eingeführten Zustand der

Schaltungsplatine 28 nimmt die Nut 26.2 des Gehäuses 26 den Damm 28.1 der Schaltungsplatine 28 auf, wobei die Dammecke

28.2 der Schaltungsplatine 28 hinter dem vorderen

verschlossenen Ende 26.1 der Nut verrastet.

Die Verrastung von Nutende 26.1 und Dammecke 28.2 bildet den Rastmechanismus zum Befestigen der Schaltungsplatine 28 an das Gehäuse 26. Dieser Rastmechanismus verhindert das Lösen der Schaltungsplatine 28 von dem Gehäuse 26 oder das

Herausnehmen der Schaltungsplatine 28 aus dem Gehäuse 26 und stellt damit eine feste, stabile, vorzugsweise nicht lösbare, mechanische Verbindung der Schaltungsplatine 28 mit dem

Gehäuse 26 dar.

Das Andockmodul 22 und der Stromwandler 10 können als ein Stecksystem aufgefasst werden. Hierbei bilden die Laschen

28.3 des Andockmoduls 22 ein Steckteil und die Öffnungen 38 des Stromwandlers 10 stellen einen Aufnahmebereich zum

Aufnehmen des Steckteils bereit. Der Aufnahmebereich 38 bildet eine Längsführung für das Steckteil 28.3, entlang welcher das Steckteil 23.8 bewegbar ist.

Bei dem Stecksystem fixiert eine lösbare Arretierung das Steckteil 28.3 in einem in dem Aufnahmebereich 38

eingeführten Zustand, vorzugsweise mittels einer

kraftschlüssigen, lösbaren Verbindung. Die Arretierung kann durch Federmittel, oder durch Halteelemente gebildet sein, die beispielsweise als Magnetelemente ausgebildet sind. Die Laschen 28.3 können die Federmittel, beispielsweise

omegaförmige Federn oder Coffin-Springs umfassen oder als solche ausgebildet sein, um ein mechanisches Anpressen der Laschen 28.3 zu Kontaktelementen des Stromwandlers und damit einerseits einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen Laschen 28.3 und den Kontaktelementen des Stromwandlers, und andererseits die Arretierung zu gewährleisten.

Das geschilderte Stecksystem, bei welchem das Steckteil

(Laschen 28.3) in den Aufnahmebereich 38 des Stromwandlers 10 unmittelbar hineinsteckbar und herausnehmbar ist, ermöglicht vorteilhafter Weise ein leichtes und unproblematisches Lösen des Andockmoduls 22 vom Stromwandler 10 und ein leichtes Zusammenfügen der beiden Komponenten mit wenigen Handgriffen, geringem Arbeitsaufwand und ohne Spezialwerkzeug.

Fig. 8a zeigt eine perspektivische Darstellung des

Stromwandlers 10, an welchem das Andockmodul 22 bereits angedockt ist. In dem gezeigten Zustand ist Andockmodul 22 fest an den Stromwandler 10 gepresst oder angedockt und kann nicht ohne weiteres von dem Stromwandler 10 getrennt werden, wodurch eine hohe mechanische Stabilität und

Betriebssicherheit des Stromwandlers 10 gewährleistet ist.

Fig. 8b zeigt die Anordnung umfassend den Stromwandler 10 und das Andockmodul 22, mit freigelegter Einsicht in das

Andockmodul 22. Hierbei ist erkennbar, wie der elektrische Kontakt zwischen dem Verbindungselement 28.3 und dem

Stromwandler 10 hergestellt wird.

In der Öffnung 38 befindet sich eine kanalförmige,

dünnschalige, aus einem Metall bestehende Aufnahmevorrichtung für das Verbindungselement 28.3, die zu den Schrauben 30 hin Öffnungen zum Einführen der Schrauben 30 und auf der zu den Öffnungen gegenüberliegenden Seite Gewindebohrungen aufweist. Eine in einer Öffnung eingeführte Schraube 30 kann in die Gewindebohrung mittels Drehen eingeschraubt werden, wodurch ein in der Aufnahmevorrichtung aufgenommenes und eingeklemmtes Verbindungselement 28.3 zusammengedrückt wird, i) zum Herstellen eines elektrischer Kontakts zwischen der oberen und/oder unteren Beschichtung des Verbindungselements 28.3 und der kanalförmigen Aufnahmevorrichtung und ii) zum mechanischen Befestigen des Andockmoduls 22 an den

Stromwandler 10.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der

Schutzschaltung 12 für einen Stromwandler 10. Die

Schutzschaltung 12 dient zum Verhindern, dass eine

Sekundärspannung Us an einem Sekundärkreis 10.1 des

Stromwandlers 10 einen Sekundärspannungsschwellwert

überschreitet .

Die Schutzschaltung 12 umfasst

- einen Schutzschaltungseingang 12.1, der an den

Sekundärkreis 10.1 des Stromwandlers 10 gekoppelt ist, so dass die Sekundärspannung Us an dem

Schutzschaltungseingang 12.1 anliegt,

- eine mit dem Schutzschaltungseingang 12.1 verbundene

Steuereinheit 16, und

- eine mit dem Schutzschaltungseingang 12.1 verbundene

Schaltereinheit 18, die mit der Steuereinheit 16 ansteuerbar verbunden ist.

Die Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf ein Überschreiten des Sekundärspannungsschwellwerts durch die Sekundärspannung Us, ein Steuersignal an die

Schaltereinheit 18 bereitzustellen.

Die Schaltereinheit 18 ist dazu ausgebildet, unter Ansprechen auf das von der Steuereinheit 16 bereitgestellte Steuersignal, den Schutzschaltungseingang 12.1

kurzzuschließen.

In der Fig. 1 ist ferner ein Strommessgerät 20, das zum

Messen des Stroms durch den Sekundärkreis 10.1 ausgebildet ist. Während des Messbetriebs ist das Auftreten einer

Überspannung am Sekundärkreis 10.1 sehr unwahrscheinlich. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer Überspannung oder überhöhten Sekundärspannung Us erhöht sich aber substantiell, sobald das Strommessgerät 20 vom Sekundärkreis 10.1

abgeklemmt wird, was in der Fig. 1 angedeutet ist.

Im Folgenden wird die Funktion der Schutzschaltung 12

erläutert .

Beim Auftreten einer überhöhten Sekundärspannung Us am

Sekundärkreis 10.1 liegt an der Steuereinheit 16 eine

Spannung an, welche einen voreingestellten

Sekundärspannungsschwellwert überschreitet. Unter Ansprechen auf diese Überschreitung stellt die Steuereinheit 16 ein Steuersignal an die Schaltereinheit 18 bereit, welches beispielsweise von LOW auf HIGH wechselt. Unter Ansprechen auf das Steuersignal reduziert die Schalteinheit 18 ihren Innenwiderstand auf annähernd Null und schließt damit den Sekundärkreis 10.1 kurz.

Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der

Schutzschaltung 12 für einen Stromwandler 10. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Schutzschaltung 12 gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine

Begrenzungseinheit 14, die parallel zur Steuereinheit 16 und zur Schaltereinheit 18 geschaltet ist und mit dem

Sekundärkreis 10.1 verbunden ist. Vorteilhafter Weise ergänzen und unterstützen sich Begrenzungseinheit 14, Schalteinheit 18 und Steuereinheit 16 gegenseitig bezüglich der Schutzfunktion für den Stromwandler 12. Einerseits, weil die Schalteinheit 18 für größere Ströme als die Begrenzungseinheit 14 ausgelegt ist. Gemeinsam können die Komponenten Schalteinheit 18 und Begrenzungseinheit 14 einen größeren Strom ertragen als jede Komponente für sich allein .

Auf der anderen Seite unterstützt die Begrenzungseinheit 14 die Steuereinheit 18, weil mittels der Parallelschaltung von Begrenzungseinheit 14 und Steuereinheit 18 eine definierte Spannung an den Eingang der Steuereinheit 18 bereitgestellt wird.

Bekanntlich haben Suppressordioden, die bevorzugt für die Begrenzungseinheit 14 verwendet wird, nach Erreichen der Durchbruchspannung (siehe Fig. 4) noch einen endlichen

Innenwiderstand, so dass sie nur Dauerströme führen können, die niedriger als die üblichen sekundären Nennströme von Wandlern sind. Dies ist ein möglicher Grund dafür, dass bisher keine Schutzschaltungen bekannt sind, die allein aus Suppressordioden bestehen.

Die zum Kurzschließen der Schaltereinheit 18 benötigte kurze Zeit stellt eine vernachlässigbar kleine Trägheit der

Schutzschaltung 12 sicher, da die Steuereinheit 16 jede

Halbwelle der Spannung am Sekundärkreis 10.1 "abtasten" kann. Sobald also die Spannung wieder unter einen vorgegebenen

Grenzwert gesunken ist, wird in kürzester Zeit selbsttätig der durch die Schutzschaltung 12 hervorgerufene sekundärseitige Kurzschluss aufgehoben. Die Ansteuerung erfolgt periodisch.

Die Fig. 3 zeigt Details der in Fig. 2 dargestellten

Ausführungsform der Schutzschaltung 12. Demnach umfasst die Steuereinheit 16 einen Gleichrichter 16.1 und eine

Komparatoreinheit 16.2. Die Komparatoreinheit 16.2 umfasst:

- einen Komparator K mit einem positiven Eingang, einem negativen Eingang an welchem eine Spannung in Höhe von etwa der Eingangsspannung der Komparatoreinheit 16.2 anliegt, und einem Ausgang, welcher das Steuersignal bereitstellt ;

- einen Spannungsteiler R2, R3, wobei der positive Eingang mit der Eingangsspannung der Komparatoreinheit 16.2 über den Spannungsteiler R2, R3 verbunden ist;

- eine Zener-Diode D2, die mit dem negativen Eingang

verbunden ist, zum Begrenzen einer am negativen Eingang anliegenden Spannung;

- einen Kondensator C, der mit dem positiven Eingang

verbunden ist.

Die Begrenzungseinheit 14 umfasst eine Suppressordiode Dl. Eine Strom-Spannungs-Kennlinie der Suppressordiode Dl ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Hierin ist ersichtlich, dass die Suppressordiode Dl bidirektional im Rückwärtsbetrieb arbeitet. Die Durchlasskennlinie spielt hierbei keine Rolle. Markante Punkte der Kennlinie sind:

- UR äußerster Punkt der Sperrspannung (revers-stand-off voltage) ,

- UB Durchbruchspannung (break-down voltage) ,

- UC Begrenzungsspannung (clamping voltage) . Die Schaltereinheit 18 umfasst zwei in einer Back-to-Back Schaltung angeordnete MOSFETs Tl, T2. Hierbei sind die Drain- Anschlüsse der Transistoren Tl, T2 jeweils mit den Klemmen des Schutzschaltungseingangs verbunden, und die Gates sind mit dem Komparator K der Komparatoreinheit 16.2 zum Zuführen des Steuersignals verbunden.

Hierbei wird vorteilhafter Weise ein Kurzschluss automatisch mit den kleinen und leichten Halbleitern der zwei N-Kanal FETs hergestellt, die in der Back-to-Back Schaltung

angeordnet sind.

Die beiden Transistoren Tl, T2 schließen den Wechselstrom durch den Sekundärkreis 10.1 nahezu leistungsfrei kurz. Damit ist es möglich auch sehr hohe Ströme, wie beispielsweise einen thermischen Bemessungs-Kurzzeitstrom, welcher das 60- fache des Nennstroms von 5A, also 300 A, beträgt, für eine Sekunde abzuleiten und einen Bemessungs-Stoßstrom welcher das 2,5-fache des Bemessungs-Kurzzeitstroms, also 750 A, beträgt, für eine Halbwelle abzuleiten.

Der Kurzschluss wird ausgeführt, bevor die Spannung einen gefährlichen Wert überschreitet. Ein solcher Wert entspricht einem Quotienten von Bemessungsleistung und sekundärem

Bemessungsstrom des Messwandlers.

Gemäß Fig. 3 wird die gleichgerichtete Spannung Ug durch den Komparator K, mit der Spannung an einer Zener-Diode D2 verglichen. Der Strom durch den Gleichrichter 22 lädt den Kondensator C auf, der die notwendige Spannung für den

Komparator K und die Ansteuerung der Transistoren Tl, T2 bereitstellt . Sobald die Spannung am Eingang des Komparators K die

Schwellspannung des Komparators K erreicht, wird der

Sekundärkreis 10.1 kurzgeschlossen und der Kondensator C entlädt sich über Rl, R2, R3, Dl und K, bis die

Abschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K wieder erreicht ist.

Wenn beispielsweise R4 sehr groß ist und zugleich R2, R3 gleich groß sind, dann ergibt sich ein

Sekundärspannungsschwellwert in doppelter Höhe der Zener-

Spannung. Die Parameter der Bauelemente der Steuereinheit 16, vorzugsweise die Parameter von Rl, R2, R3, Dl und K,

ermöglichen somit eine Festlegung des

Sekundärspannungsschwellwerts , insbesondere im Verhältnis zur Sekundärspannung Us .

Die Betriebsspannung des Komparators K ist durch die

Gleichrichterdioden vom Kurzschluss getrennt. Steht nach dem Entfernen des Kurzschlusses weiterhin eine zu hohe Spannung am Sekundärkreis 10.1 an, wird der Vorgang wiederholt, sodass die Einschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K niemals überschritten werden kann.

Die Einschaltspannung und Ausschaltspannung am positiven Eingang des Komparators K sind über R4 durch eine Hysterese der Komparatoreinheit 16.2 getrennt, sodass keine

Undefinierten Schwingungen entstehen können. Die

Schaltschwellen werden durch die Zener-Diode D2 und die eingestellte Hysterese bestimmt. Das Verhältnis der

Widerstände R2, R3 zu dem Kondensator C bestimmt die

Häufigkeit des Schaltvorganges. Diese Schutzschaltung 12 kann in den Kopf des Stromwandlers 10 untergebracht werden und fest mit der Sekundärkreis 10.1 verbunden werden. Somit funktioniert der automatische

Kurzschluss immer, unabhängig davon, wo der Sekundärkreis 10.1 unterbrochen wird.

Bei der Unterbringung der Schutzschaltung 12 beispielsweise in einem Schaltschrank, welcher die Komponenten einer Anlage beherbergt, an welche der Stromwandler 10 für eine

Strommessung angeordnet ist, kann ein Verbindungskabel zur Schutzschaltung 12 an beliebiger Stelle zwischen Stromwandler 10 und Strommessgerät 20 unterbrochen werden, direkt oder unmittelbar an den Anschlüssen des Stromwandlers 10 oder des Strommessgerätes 20.

Die Schutzschaltung 12 kann auch nach Fertigstellung des Stromwandlers 10 in den Sekundärstromkreis eingefügt werden. Das heißt, ein Nachrüsten des Stromwandlers 10 mit der

Schutzschaltung 12 ist möglich.

Eine Möglichkeit zur Verringerung der Kosten und Baugröße besteht darin, den Maximalstrom des Sekundärkreises 10.1 durch Variation des Materials des Stromwandlers 10 zu

begrenzen. Durch angepasstes Kernmaterial kann der

magnetische Fluss begrenzt werden, wodurch auch der Strom im Sekundärkreis 10.1 begrenzt wird.

Die Fig. 5a, 5b zeigen zwei Ansichten eines

Stromwandlergehäuses 10.2, das einen Stromwandler 10

beherbergt. Das Stromwandlergehäuse 10.2 umfasst

- ein Sekundärkreisgehäuse 10.5, in welchem der

Sekundärkreis 10.1 des Stromwandlers 10 untergebracht ist, und - ein Sekundärklemmengehäuse 10.3, genannt auch

„Sekundärklemmenkasten" , in welchem Sekundärklemmen untergebracht sind, an denen die Sekundärspannung Us abgegriffen werden kann.

Die Schutzschaltung 12 ist in dem Stromwandlergehäuse 10.2, vorzugsweise im Sekundärklemmenkasten 10.3, untergebracht oder angeordnet. Die Schutzschaltung 12 ist direkt oder unmittelbar bei den Sekundärklemmen des Sekundärkreises 10. angeordnet. Die Schutzschaltung ist damit in dem Gehäuse 10 des Stromwandlers 10 vollständig integriert.

Bezugs zeichenliste

10 Stromwandler

10.1 Sekundärkreis des Stromwandlers

10.2 Stromwandlergehäuse

10.3 Sekundärklemmenkasten, Sekundärklemmengehäuse

10.4 Sekundärkreisklemmen

10.5 Sekundärkreisgehäuse

12 Schutzschaltung, elektronische Schaltung

12.1 Schutzschaltungseingang

14 Begrenzungseinheit

16 Steuereinheit

16.1 Gleichrichter

16.2 Komparatoreinheit

18 Schaltereinheit

20 Strommessgerät, Shunt-Widerstand

22 Andockmodul

26 Gehäuse des Andockmoduls 22

26.1 geschlossenes Nutende

26.2 Nut

28 Schaltungsplatine, Leiterplatte

28.1 Damm

28.2 Dammecke

28.3 elektrisches Verbindungselement, Lasche

30 Anspannungselement, Befestigungselement, Schraube

36 Verbindungskabel zum Strommessgerät 20

38 Öffnung zum Aufnehmen des Verbindungselements 28.3

40 Schieber

Dl Suppressordiode

D2 Zenerdiode

K Komparator

R1-R4 Widerstände T1,T2 Transistoren Ug Gleichspannung Us Sekundärspannung