Überlastauslöser

Die Erfindung betrifft einen Überlastauslöser zum Abschalten eines Laststromkreises im Überlastfall.

Derartige Überlastauslöser werden bei Schaltgeräten mit Schiitzfunktion in bekannter Weise eingesetzt.

Bei Schaltgeräten im Hauptstromkreis wird zwischen Schaltge¬ räten zum betriebsmäßigen Schalten und solchen zum Schalten im Fehlerfall unterschieden. Das Schalten im Fehlerfall um- fasst das Schalten infolge eines Überstromes oder eines Kurz- Schlusses. Da ein Überstrom ein betriebsmäßiger Zustand sein kann, z.B. beim Anlauf eines Motors, ist dieser im Gegensatz zum Kurzschluss über eine bestimmte Zeit zu tolerieren. Im Kurzschlussfall ist ausgeschlossen, dass es sich um einen be¬ triebsmäßigen Zustand handelt. Abgesehen von Erwägungen zum Thema Selektivität ist hier der Stromkreis sofort zu unter¬ brechen. Im Uberlastbereich ist der Strom eine bestimmte Zeit weiterzuführen. Die Länge des Zeitraumes ist von der Höhe des Stromes, der Art und der Charakteristik der Last abhängig. Liegt ein Fehler vor, übersteigt die Stromflussdauer des Überstromes den vorgegebenen Wert. Der Stromkreis ist darauf¬ hin zu unterbrechen.

Fällt in einem dreiphasigen Netz eine Phase aus, liegt bei motorischer Last ein Fehler vor. Selbst wenn der Strom in den verbleibenden zwei Phasen den zulässigen Nennstrom nicht übersteigt, ist dieser abzuschalten.

Das Unterscheiden zwischen betriebsmäßigem bzw. fehlerhaften Zustand im Überlastfall, die Abschaltung im fehlerhaften Zu- stand sowie das Erkennen eines Phasenausfalls wird üblicher¬ weise unter Verwendung von Bimetallen gelöst. Dabei werden die Bimetalle B gemäß dem Schaltbild in FIG 1 in der Regel vom Strom im Hauptstrompfad Ll, L2, L3 beheizt. Gleichzeitig geben die erwärmten Bimetalle Wärme an die Umgebung ab. Die Dimensionierung erfolgt in der Weise, dass bei Nennstrom die Ausbiegung der Bimetalle B noch nicht zum Auslösen des Schaltschlosses S führt. Übersteigt die Ausbiegung in Folge eines unzulänglich lang fließenden Überstromes in einer der mehreren Phasen einen Grenzwert, wird das Schaltschloss aus¬ gelöst.

Übersteigt im Falle eines Phasenausfalls die Differenz der Ausbiegungen der Metalle einen Grenzwert, kommt es ebenfalls zur Auslösung des Schaltschlosses S.

Um ein Uberstromschutzgerät an verschiedene Lastgrößen anzu- passen, ist der zulässige Nennstrom, d.h. der Strom, bei dem das Gerät selbst nach unendlich langer Zeit nicht auslöst, einstellbar. Allerdings ist bei der dargestellten konventio¬ nellen Lösung der Einstellbereich, welcher in der Größenord¬ nung 1,5:1,0 liegt, nur gering. Ein solcher konventioneller Überlastauslöser in der Anwendung bei einem mehrphasigen Motorschutzschalter ist in der DE 35 45 930 Al offenbart.

Anstelle des oben beschriebenen thermo-mechanischen Prinzips ist die Verwendung eines elektronischen Prinzips bekannt, bei dem eine Vergrößerung des Einstellbereiches möglich ist. Ein Prinzipschaltbild der bisher bekannten elektronischen Lösung ist in FIG 2 dargestellt. Bei dieser Lösung werden einer elektronischen Schaltung mittels Wandler W Informationen über die Höhe des Stromes im Hauptstromkreis Ll, L2, L3 zur Verfü- gung gestellt. Die Unterscheidung zwischen betriebsmäßigen oder fehlerbedingten Überstrom ist durch ein elektronisches Modell des jeweiligen Verbrauchers, z.B. des Motors, vorzu¬ nehmen. Die Nennstromeinstellung erfolgt mittels Verschiebung der Überstromzeitkennlinie im Motormodell M. Gleichzeitig muss die Auswertung einer unzulässigen Stromdifferenz in den Einzelphasen bei Phasenausfall erfolgen. Wird im Motormodell bzw. bei der Differenzstromdiskriminierung D eine Unzulässig- keit detektiert, ist ein für die Ansteuerung eines Aktors A zur Schaltschlossauslösung geeignetes Signal zu generieren. Derartige elektronische Auslöseschaltungen sind mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden. Eine elektronische Auslöseschaltung für verzögerte Fehlerstrom-Schutzschaltung ist z.B. in der CH 656 262 A5 offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Überlasterkennung und Auslösung bei einem gro- ßen Nennstrom-Einstellbereich zu schaffen.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ver¬ fahren zum Abschalten eines Laststromkreises im Überlastfall zu schaffen, das eine einfache und kostengünstige Überlast- erkennung und -auslösung bei großem Nennstrom-Einstellbereich ermöglicht.

Die erste Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 ge¬ löst. Die Einfachheit der Lösung besteht in der Kombination einer elektronischen und einer thermo-mechanischen Komponen¬ te, was zu einer sehr kostengünstigen Lösung führt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht, wenn in einzelnen Phasen des Laststromkreises jeweils ein Strom- wandler eingesetzt ist, der zur Zuführung des sekundärseiti- gen Ausgangssignals mit der elektronischen Verarbeitungsein¬ heit verbunden ist. Ein weiterer Vorteil besteht, wenn die elektronische Verarbeitungseinheit einen Verstärker aufweist, an dessen Ausgang das Stromsignal ansteht.

Eine einfache Einstellung der Auslösung des Schaltschlosses ist gewährleistet, wenn diese durch den thermisch mechani¬ schen Auslöser bei einem bestimmten Laststrom über die Ein¬ stellung der Verstärkung des Verstärkers einstellbar ist.

Ein Phasenausfallschutz lässt sich außerdem auf einfache Weise erreichen, wenn die elektronische Verarbeitungseinheit eine Differenzstrom-Einrichtung aufweist, die ausgehend von einer Stromdifferenz zwischen mindestens zwei der Phasen ein Differenzstromsignal erzeugt, das zur Veränderung der Ver¬ stärkung des Verstärkers dient.

Gemäß Anspruch 7 wird der erfindungsgemäße Überlastauslöser in vorteilhafter Weise bei einem Schaltgerät mit Schutzfunk¬ tion verwendet.

Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merk¬ malen nach Anspruch 8 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an¬ hand der FIG 3 näher erläutert.

FIG 3 zeigt das prinzipielle Schaltbild eines erfindungsgemä¬ ßen Überlastauslösers, der die Einfachheit der thermo-mecha- nischen Lösung mit dem großen Einstellbereich der elektroni¬ schen Lösung vereinigt. Im zu überwachenden Laststromkreis, der hier dreiphasig ausgeführt ist, ist zur Messung des Stro¬ mes in den einzelnen Phasen Ll, L2, L3 des Laststromkreises jeweils ein Stromwandler Sl, S2, S3 eingesetzt, mit dem je¬ weils ein Schaltelement 1, 2, 3 in Reihe geschaltet ist. Ab¬ hängig von der Strombelastung löst ein an sich bekanntes Schaltschloss 4 aus, was zur Ausschaltung des Stroms in den Phasen Ll, L2, L3 durch die Schaltelemente 1, 2, 3 führt. Hierzu sind die Stromwandler Sl, S2, S3 sekundärseitig mit einer elektronischen Verarbeitungseinheit 5 verbunden, die die übersetzten Ströme aufnimmt und ein davon abhängiges Stromsignal 6 generiert. Das Stromsignal 6 steuert einen zwischen der elektronischen Verarbeitungseinheit 5 und dem Schaltschloss 4 geschalteten thermo-mechanischen Auslöser 7. Unter Steuerung wird z.B. verstanden, dass abhängig vom Stromsignal 6 die Höhe des Stromes in der Heizwicklung eines Bimetalls 7 als thermo-mechanischer Auslöser verändert wird. Abhängig vom Stromfluss in der Heizwicklung erfolgt die Aus¬ biegung des Bimetalls 7 und bei genügender Stärke des Strom¬ flusses die Auslösung des Schaltschlosses 4 wie bei konventi¬ onellen Schutzschaltern.

Grundsätzlich ist die Einbindung noch weiterer thermo-mecha¬ nischer Auslöser 7 denkbar, wobei aus wirtschaftlichen Grün¬ den bevorzugt nur ein einziger Auslöser eingesetzt wird.

Die elektronische Verarbeitungseinheit 5 enthält einen Ver¬ stärker 8, der mit den Sekundärseiten der Stromwandler Sl, S2, S3 in Verbindung steht, um die den gemessenen Strömen in den Laststromkreises Ll, L2, L3 proportionalen Ausgangssig¬ nale zu verstärken und hieraus das Stromsignal 6 für das Bi- metall 7 zu bilden. Dabei ist dem Verstärker 8 ein ODER-Glied 9 vorgeschaltet.

Das bei dieser Variante verwendete Bimetall 7 ist selbst nicht einstellbar. Die Nennstromeinstellung erfolgt hier mit- tels der Verstärkung des Verstärkers 8. So wird bei niedriger Verstärkung das von den Stromwandlern Sl, S2, S3 an die Ver¬ arbeitungseinheit 5 abgegebene Ausgangssignal gering ver¬ stärkt. Die auf das Bimetall 7 gebrachte Heizleistung ist gering. Es wird somit ein relativ großes Ausgangssignal benö- tigt, damit die Ausbiegung des Bimetalls 7 den Wert erreicht, der zur Auslösung des Schaltschlosses 4 erforderlich ist. Umgekehrt verhält es sich, ist eine große Verstärkung einge¬ stellt. Hier reichen bereits vergleichsweise geringe Aus¬ gangssignale um eine große Heizleistung für das Bimetall 7 zur Verfügung zu stellen und damit die für das Auslösen des Schaltschlosses 4 notwendige Ausbiegung des Bimetalls 7 zu erreichen. Hiermit lassen sich große Nennstrom-Einstell¬ bereiche von ca. 4:1 realisieren.

Zusammenfassend gilt, dass bei der hier angenommenen unverän¬ derten Einstellung des Bimetalls die Auslösung des Schalt¬ schlosses 4 bei stets gleicher Heizleistung, d.h. gleichem Stromsignal am Ausgang des Verstärkers 8 erfolgt. Dies lässt sich bei einem geringen Laststrom mit hoher Verstärkung und. in gleicher Weise bei einem hohem Laststrom mit geringer Ver¬ stärkung erreichen.

Der oben beschriebene Überlastauslöser lässt sich auf einfa¬ che Weise durch einen Phasenausfallschutz erweitern. Hierzu werden die sekundarseitigen Ausgangssignale auch einer Diffe¬ renzstrom-Einrichtung 10 in der elektronischen Verarbeitungs- einheit 5 zugeführt. Die Differenzstrom-Verarbeitungseinheit 10 erkennt eine Stromdifferenz in den Phasen Ll, L2, L3 und bildet daraufhin ein Signal, mit dem die Verstärkung des Ver¬ stärkers 8 veränderbar ist. Eine Verstärkungserhöhung ist mit einem Anstieg der Bimetall-Heizleistung verbunden. Es kommt zu einer größeren Ausbiegung des Bimetalls 7 und somit zu ei¬ ner früheren Auslösung des Schaltschlosses 4, ohne dass der eingestellte Nennstrom überschritten wird. Somit erfüllt das Bimetall 7 bei dieser Variante die Funktion des Motormodells als auch die der Differenzstromdiskriminierung. Die Elektro- nik vereinfacht sich wesentlich. Anstatt des elektronischen Abbildes des Motormodells und des Differenzstromdiskrimina- tors ist lediglich eine einfach zu realisierende Verstärker¬ schaltung mit einstellbarer Verstärkung notwendig. Im Gegen¬ satz zur thermomechanischen Variante ist hier nur ein Bime- tall notwendig. Der bei der elektronischen Variante notwen¬ dige Aktor zur Auslösung des Bimetalls ist ebenfalls über¬ flüssig, da diese Funktion auch vom Bimetall übernommen wird.