Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät umfassend mindestens einen mechanischen Schalter und/oder Halbleiterschalter, mindestens eine Vorrichtung zur Messung des durch das Schaltgerät fließenden Stroms und mindestens eine erste Vorrichtung zur Messung der Spannung.The present invention relates to a switching device comprising at least one mechanical switch and/or semiconductor switch, at least one device for measuring the current flowing through the switching device and at least one first device for measuring the voltage.
Ein gattungsgemäßes Schaltgerät mit mindestens einem mechanischen Schalter und/oder mindestens einem Halbleiterschalter wird üblicherweise als sekundärer Schalter verwendet. Die Ansteuerung des Schaltgeräts erfolgt üblicherweise durch ein externes System. Zum sicheren und zuverlässigen Betrieb des Schalters bzw. Schützes ist die Erfassung physikalischer Größen, wie z.B. Spannung, Strom, Leistung, Leistungsfaktor oder Temperatur in und um den Schalter erforderlich. Bisher erfolgt die Erfassung dieser Daten über zusätzliche Messeinrichtungen. Nachteilig bei derartigen bekannten Schaltgeräten ist daher, dass die Verwendung externer Systeme nötig ist und ein erhöhter Bauraumbedarf besteht.A generic switching device with at least one mechanical switch and/or at least one semiconductor switch is typically used as a secondary switch. The switching device is typically controlled by an external system. For safe and reliable operation of the switch or contactor, the recording of physical variables such as voltage, current, power, power factor, or temperature in and around the switch is necessary. Previously, this data was recorded using additional measuring devices. The disadvantage of such known switching devices is that they require the use of external systems and require more space.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Schaltgerät bereitzustellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme behebt, das insbesondere auf externe Systeme verzichtet und nur einen geringen Bauraumbedarf hat, sowie allgemein die Bereitstellung eines Energiemanagementsystems in Energieversorgungsanlagen und die Bereitstellung schneller Schutzeinrichtungen in Gleichstromsystemen.It is therefore the object of the present invention to provide an improved switching device which eliminates the problems known from the prior art, which in particular dispenses with external systems and has only a small installation space requirement, as well as generally the provision of an energy management system in power supply systems and the provision of fast protection devices in DC systems.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach besteht bei einem Schaltgerät nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe, wenn mindestens eine zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung vorgesehen ist, wobei die erste Vorrichtung zur Messung der Spannung, der mindestens eine mechanische Schalter und/oder Halbleiterschalter und die mindestens eine zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung in Reihe geschaltet sind.The object is achieved by the features of independent claim 1. Accordingly, in a switching device according to the preamble of independent claim 1, the object is achieved according to the invention if at least one second device for measuring the voltage is provided, wherein the first device for measuring the voltage, the at least one mechanical switch and/or semiconductor switch and the at least one second device for measuring the voltage are connected in series.
In der erfindungsgemäßen Lösung sind also sowohl eine Vorrichtung zur Messung des Stroms, wie z.B. ein Stromsensor, als auch mindestens eine erste und eine zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung in das Schaltgerät integriert. Dadurch ist Intelligenz im System und es können lokale Entscheidungen getroffen werden. Es kann daher auf zusätzliche, externe Messeinrichtungen verzichtet werden. Dies führt zu einer kompakten Ausgestaltung mit geringem Bauraumbedarf.In the solution according to the invention, both a device for measuring current, such as a current sensor, and at least a first and a second device for measuring voltage are integrated into the switching device. This provides intelligence within the system and allows for local decisions. Therefore, additional external measuring devices are not required. This results in a compact design with minimal installation space requirements.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the present invention are the subject of the subclaims.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Schaltgerät für Gleichstromanwendungen ausgebildet ist. Dadurch kann eine schnelle Schutzeinrichtung für ein Gleichstromsystem bereitgestellt werden. Dies ist insbesondere für die Gleichstromsysteme notwendig, da diese Systeme eher kapazitiv wirken, wodurch ein signifikant schneller Stromanstieg abgeschaltet werden muss. In Gleichstromnetzen sind diese Komponenten für den Schutz und die Überwachung von Sektoren unerlässlich.In a preferred embodiment of the present invention, the switching device is designed for direct current applications. This allows for the provision of a fast protection device for a direct current system. This is particularly necessary for direct current systems, as these systems tend to operate capacitively, requiring a significantly rapid current rise to be switched off. In direct current networks, these components are essential for sector protection and monitoring.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Schaltgerät bidirektional ausgebildet ist. Das Schaltgerät kann daher in allen Anwendungen zum Einsatz kommen, in welchen Bidirektionalität gefordert wird. Dies ist der Fall, wenn der abzusichernde Sektor nicht nur als Energieverbraucher, sondern auch als Energieerzeuger fungiert.In a further preferred embodiment of the present invention, the switching device is bidirectional. The switching device can therefore be used in all applications requiring bidirectionality. This is the case when the sector to be protected functions not only as an energy consumer but also as an energy producer.
In einer besonders kompakten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine mechanischer Schalter und/oder Halbleiterschalter, die Vorrichtung zur Messung des Stroms, die erste Vorrichtung zur Messung der Spannung und die zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.In a particularly compact embodiment, it can be provided that the at least one mechanical switch and/or semiconductor switch, the device for measuring the current, the first device for measuring the voltage and the second device for measuring the voltage are arranged in a common housing.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass ferner eine Auswerteeinheit in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist. Dadurch können Fehlerfälle oder besondere Ereignisse direkt lokal erkannt und präventiv behandelt werden.Yet another preferred embodiment of the present invention may provide for an evaluation unit to be arranged in the common housing. This allows errors or special events to be directly detected locally and treated preventively.
Vorzugsweise kann ferner eine Kommunikationseinheit in dem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Dadurch ist eine Überwachung der lokalen Größen, sowie eine direkte Kommunikation nach extern, insbesondere bei Fehlerfällen oder besonderen Ereignissen, möglich.Preferably, a communications unit can also be arranged in the common housing. This allows for monitoring of local variables as well as direct external communication, particularly in the event of errors or special events.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass ein erstes Halbleitermodul mit einem ersten Halbleiterschalter, ein mechanischer Schalter und ein zweites Halbleitermodul mit einem zweiten Halbleiterschalter in Reihe hintereinander angeordnet sind, wobei die beiden Halbleitermodule aufgrund des unidirektionalen Schaltvermögens antiseriell angeordnet werden, sodass der vollständige Schalter bidirektionales Schaltvermögen besitzt. Das Schaltgerät umfasst in diesem Fall also zwei Halbleiterschalter, einen mechanischen Schalter, die Vorrichtung zur Messung des Stroms, d.h. einen Stromsensor, eine erste und eine zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung. Dadurch wird ein Hybridschalter, d.h. ein Schalter, der sowohl halbleiterbasierte Schaltelemente als auch elektromechanische Schaltelemente, wie z.B. ein Schütz, umfasst, mit den dadurch verbundenen Vorteilen zur Verfügung gestellt. Dieser Hybridschalter zeichnet sich dadurch aus, dass das bzw. die halbleiterbasierte(n) Schaltelement(e) sowie das elektromechanische Schaltelement in Serie liegen.A further preferred embodiment of the present invention provides that a first semiconductor module with a first semiconductor switch, a mechanical switch, and a second semiconductor module with a second semiconductor switch are arranged in series, one behind the other, wherein the two semiconductor modules are arranged anti-serially due to the unidirectional switching capability, so that the complete switch has bidirectional switching capability. In this case, the switching device comprises two semiconductor switches, a A mechanical switch, a current measuring device, i.e., a current sensor, and a first and a second voltage measuring device are provided. This provides a hybrid switch, i.e., a switch that includes both semiconductor-based switching elements and electromechanical switching elements, such as a contactor, with the associated advantages. This hybrid switch is characterized by the fact that the semiconductor-based switching element(s) and the electromechanical switching element are connected in series.
Vorzugsweise sind die Halbleitermodule als Gleichteile ausgebildet. Damit verbundene Vorteile sind insbesondere verringerte Kosten.Preferably, the semiconductor modules are designed as identical parts. The associated advantages include, in particular, reduced costs.
Vorteilhafterweise kann ferner vorgesehen sein, dass die Halbleitermodule bidirektional ausgebildet sind. Dazu kann jedes der Halbleitermodule einen Halbleiterschalter und eine parallel dazu angeordnete Freilaufdiode oder Body-Diode aufweisen. Typischerweise ist diese Body-Diode intrinsischer Bestandteil des Halbleiterschalters Der Strom kann dann bidirektional durch die Halbleitermodule fließen, je nach Stromrichtung über den Halbleiterschalter oder die entsprechende Freilaufdiode bzw. Body-Diode. Daraus folgt, dass das Halbleitermodul nur ein unidirektionales Schaltvermögen besitzt.Advantageously, it can also be provided that the semiconductor modules are bidirectional. For this purpose, each of the semiconductor modules can have a semiconductor switch and a freewheeling diode or body diode arranged in parallel. This body diode is typically an intrinsic component of the semiconductor switch. The current can then flow bidirectionally through the semiconductor modules, depending on the current direction via the semiconductor switch or the corresponding freewheeling diode or body diode. Consequently, the semiconductor module only has unidirectional switching capacity.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Halbleiterschalter der Halbleitermodule als Feldeffekttransistor, z.B. MOSFET ausgebildet sind. Dadurch wird eine Skalierbarkeit des Einschaltwiderstandes bzw. des minimalen Durchlasswiderstands rDS,on in der Parallelschaltung von Halbleitermodulen ermöglicht, dies führt zur Verminderung der Verlustleistung des Halbleitermoduls im eingeschalteten Betrieb. Im Vergleich dazu haben IGBTs als Halbleitermodul eine minimale Sättigungsspannung VCE(SAT), wodurch eine Parallelisierung nicht zur Verminderung der Verlustleistung führt.A further preferred embodiment of the present invention provides that the semiconductor switches of the semiconductor modules are designed as field-effect transistors, e.g., MOSFETs. This enables scalability of the on-resistance or the minimum on-resistance rDS,on in parallel connection of semiconductor modules, which leads to a reduction in the power loss of the semiconductor module during on-state operation. In comparison, IGBTs as semiconductor modules have a minimum saturation voltage VCE(SAT) , which means that parallel connection does not lead to a reduction in power loss.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Source-Anschlüsse der Halbleitermodule über den mindestens einen mechanischen Schalter miteinander verbunden sind. Es handelt sich also um eine antiserielle Beschaltung, wobei die Source-Anschlüsse der Halbleiterschalter miteinander verbunden werden.Yet another preferred embodiment of the present invention provides that the source terminals of the semiconductor modules are connected to one another via the at least one mechanical switch. This is thus an anti-serial circuit, with the source terminals of the semiconductor switches being connected to one another.
Eine einfache Ausgestaltung des Schaltgeräts kann dadurch erreicht werden, dass jedes der Halbleitermodule mittels jeweils einem Anschlusselement mit einer der Stromschienen verbunden ist und jeweils mittels eines weiteren Anschlusselements mit externen Anschlüssen des Schaltgeräts verbunden ist. Die Anschlusselemente können vorzugsweise als massive Anschlussblöcke ausgebildet sein und ermöglichen das Führen hoher Ströme.A simple design of the switching device can be achieved by connecting each of the semiconductor modules to one of the busbars by means of a connection element and to external terminals of the switching device by means of a further connection element. The connection elements can preferably be designed as solid terminal blocks and enable the conduction of high currents.
Eine zusätzliche Kostenreduzierung kann dadurch erreicht werden, dass die Anschlusselemente als Gleichteile ausgebildet sind.An additional cost reduction can be achieved by designing the connecting elements as identical parts.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Schaltgerät Stromschienen zur Kontaktierung des mindestens mechanischen Schalters und/oder des mindestens einen Halbleiterschalters umfasst, wobei in mindestens einer der Stromschienen eine Aufnahme ausgebildet ist, in der die Vorrichtung zur Messung des Stroms angeordnet ist. Es wird eine einfache Realisierung der Strommessung ermöglicht. Die Lösung kann auch in bestehende Schalter und Schütze integriert werdenYet another preferred embodiment of the present invention provides that the switching device comprises busbars for contacting the at least one mechanical switch and/or the at least one semiconductor switch, wherein a receptacle is formed in at least one of the busbars in which the device for measuring the current is arranged. This enables simple implementation of the current measurement. The solution can also be integrated into existing switches and contactors.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.In the following explanations, identical parts are designated by identical reference numerals. Where a figure contains reference numerals that are not further explained in the corresponding figure description, reference is made to preceding or subsequent figure descriptions.
Das Schaltgerät 1 weist ferner eine Auswerteeinheit 5 auf. Die erste Messeinrichtung 3 und die zweite Messeinrichtung 4 übermitteln die Messwerte an die Auswerteeinheit 5. Die Auswerteeinheit 5 kommuniziert mit dem Schalter 2. Die Auswerteeinheit 5 ist ausgebildet, Schutz- und Überwachungsfunktionen des Schaltgeräts 1 bzw. des Schalters 2 durchzuführen. Die Auswerteeinheit kann in digitaler und/oder analogen Form ausgebildet sein. In digitaler Form kann die Auswerteeinheit Mikrocontroller oder speicherprogrammierbare Einheiten, z.B. FPGAs umfassen. Die Auswerteeinheit 5 kommuniziert ferner mit einer Kommunikationseinheit 6. Die Kommunikationseinheit 6 ist ebenfalls in das Schaltgerät 1 integriert. Vorzugsweise weist das Schaltgerät 1 ein gemeinsames Gehäuse (nicht dargestellt) auf, in dem der Schalter 2, die erste Messeinrichtung 3, die zweite Messeinrichtung 4, die Auswerteeinheit 5 und die Kommunikationseinheit 6 angeordnet sind. Mittels der Kommunikationseinheit 6 ist eine Kommunikation nach extern, beispielsweise über Ethernet, USB und/oder andere Feldbussysteme, möglich.The switching device 1 further comprises an evaluation unit 5. The first measuring device 3 and the second measuring device 4 transmit the measured values to the evaluation unit 5. The evaluation unit 5 communicates with the switch 2. The evaluation unit 5 is designed to perform protection and monitoring functions of the switching device 1 or the switch 2. The evaluation unit can be embodied in digital and/or analog form. In digital form, the evaluation unit can comprise microcontrollers or programmable logic units, e.g., FPGAs. The evaluation unit 5 further communicates with a communication unit 6. The communication unit 6 is also integrated into the switching device 1. The switching device 1 preferably has a common housing (not shown) in which the switch 2, the first measuring device 3, the second measuring device 4, the evaluation unit 5, and the communication unit 6 are arranged. External communication, for example via Ethernet, USB, and/or other fieldbus systems, is possible via the communication unit 6.
Üblicherweise wird der Schalter 2 als sekundärer Schalter verwendet. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine Kombination des sekundären Schalters 2 mit Mess-, Auswerte- und Kommunikationstechnik möglich. Es wird ein intelligentes Schaltgerät 1 bereitgestellt. Durch Messung können Echtzeitinformationen, zum Beispiel Strom und Spannung, ausgewertet werden. Basierend auf Regeln kann die Auswerteeinheit 5 entscheiden, ob ein Fehler vorliegt. Im Fehlerfall ist ein Schutz des Schalters 2 und der Last bzw. der Quelle möglich. In dem Schaltgerät 1 können Überwachungsfunktionen realisiert werden. Beispielsweise kann Datenüberwachung in Echtzeit und die Weiterleitung via Schnittstellen realisiert werden.Typically, switch 2 is used as a secondary switch. The inventive design enables a combination of the secondary switch 2 with measurement, evaluation, and communication technology. An intelligent switching device 1 is provided. Real-time information, such as current and voltage, can be evaluated through measurement. Based on rules, the evaluation unit 5 can determine whether a fault has occurred. In the event of a fault, protection of switch 2 and the load or source is possible. Monitoring functions can be implemented in the switching device 1. For example, real-time data monitoring and forwarding via interfaces can be implemented.
Die Auswerteeinheit 5 kommuniziert wiederum mit der Kommunikationseinheit 6, die eine Kommunikation nach extern ermöglicht. Messung, Auswertung und Kommunikationsschnittstelle sind also in das Schaltgerät 1 integriert.The evaluation unit 5, in turn, communicates with the communication unit 6, which enables external communication. Measurement, evaluation, and communication interfaces are thus integrated into the switching device 1.
Eine Erweiterung bestehender oder existierender Produkte kann durch das Hinzufügen der Messvorrichtungen und der Auswerte- und der Kommunikationseinheit erfolgen. Dies ist beispielhaft in
Noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 1 ist in
Auf Basis der Messwerte der ersten Vorrichtung zur Messung des Stromes 3.2, also des Stromsensors, kann ein Überstrom festgestellt werden. Wird der Schwellwert für den Überstrom erreicht, so erfolgt eine sofortige Auslösung des Schalters bzw. Schaltgeräts 1. Zudem kann das Grenzlastintegral gebildet werden. Das Grenzlastintegral führt auch zu einer Auslösung des Schalters bzw. Schaltgeräts 1, wenn der Strom über eine Zeit X größer ist als der Nennstrom.Based on the measured values from the first current measuring device 3.2, i.e., the current sensor, an overcurrent can be detected. If the overcurrent threshold is reached, switch or switching device 1 is immediately tripped. Furthermore, the limit load integral can be calculated. The limit load integral also causes switch or switching device 1 to trip if the current exceeds the rated current over a period of time X.
Wie bereits beschrieben, ist in der ersten Messeinrichtung 3 eine erste Vorrichtung zur Messung der Spannung 3.2 integriert. Zudem wird die Spannung auch mit der zweiten Vorrichtung zur Messung der Spannung 4 gemessen. Dadurch ist die Indikation von Überspannung und Unterspannung an Anschluss 1 (erste Vorrichtung zur Messung der Spannung) und an Anschluss 2 (zweite Vorrichtung zur Messung der Spannung) möglich. Es wird eine Information ausgegeben, beispielsweise mit der Kommunikationseinheit 6, ob die Spannung in Ordnung oder nicht in Ordnung ist.As already described, a first voltage measuring device 3.2 is integrated into the first measuring device 3. The voltage is also measured using the second voltage measuring device 4. This allows the indication of overvoltage and undervoltage at terminal 1 (first voltage measuring device) and at terminal 2 (second voltage measuring device). Information is output, for example, via the communication unit 6, indicating whether the voltage is OK or not.
Durch den gemessenen Strom und die Spannungsmessung am Eingang und am Ausgang des Schalters kann der Zustand der Schaltstrecke überwacht werden. Es kann der Schalterwiderstand ermittelt werden. Für Gleichstromanwendungen gilt RSchalter = |IMessung1 · (UMessung1 - UMessung2)|. Bei Wechselstromanwendungen wird die komplexe Impedanz ZSchalter bestimmt. Damit ist eine Ableitung des Wartungsintervalls möglich bzw. kann ermittelt werden, ob ein Austausch des Schalters erforderlich ist.The current and voltage measurements at the switch input and output allow the condition of the switching path to be monitored. The switch resistance can be determined. For DC applications, Rswitch = |Imeasurement1 · (Umeasurement1 - Umeasurement2 )|. For AC applications, the complex impedance Zswitch is determined. This allows the maintenance interval to be determined or whether the switch needs to be replaced.
Mittels einer Isolation/Impedanz Messung können Informationen über die Isolation und Impedanz im Stromkreis der Last ermittelt werden, dies ermöglicht eine Fehleranalyse.Using an insulation/impedance measurement, information about the insulation and impedance in the load circuit can be determined, which enables fault analysis.
Die integrierte Sensorik, d.h. die Vorrichtungen zur Messung des Stroms und der Spannung, ermöglicht eine Lichtbogenerkennung. Die Lichtbogenerkennung erfolgt mittels FFT des Stroms, gegebenenfalls ist zusätzlich eine Analyse der Spannungen notwendig. Die Filterung des Stroms erfolgt im Bereich von ca. 30kHz bis 100kHz. Ein Lichtbogen erzeugt eine Gaußsche Verteilung im Spektrum des Stroms. Die Mittenfrequenz der Verteilung ist von den Kabellängen abhängig.The integrated sensors, i.e., the devices for measuring current and voltage, enable arc detection. Arc detection is performed using an FFT of the current; if necessary, an additional voltage analysis is required. The current is filtered in the range of approximately 30 kHz to 100 kHz. An arc creates a Gaussian distribution in the current spectrum. The center frequency of the distribution depends on the cable lengths.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
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