Schaltgerät

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Schaltgerät mit zwei oder mehr Strombahnen, über welche eine Energiezufuhr für einen nachgeschaltete elektrische Last erfolgen kann, wobei in den Strombahnen j eweils eine elektronische Unterbrechungseinheit und ein mechanischer Schalter in Reihe angeordnet sind . Die vorliegende Erfindung betri f ft außerdem ein Betriebsverfahren des Schaltgeräts .

Schaltgeräte zum Schalten einer Energiezufuhr einer nachgeschalteten elektrischen Last sind bekannt . Zum Beispiel werden zur Ansteuerung und zum Schutz von dreiphasigen Motoren direkt am Netz Motorstarter eingesetzt . Dabei wird unterschieden zwischen Direktstartern und Sanf tstartern . Direktstarter schalten eine Netzspannung direkt auf den Motor, wohingegen Sanftstarter die Möglichkeit haben, durch Phasenanschnitt die ef fektive Spannung am Motor für die Zeit des Anlaufes zu begrenzen bzw . langsam zu steigern, siehe die beiden Graphiken auf Seite 21C- 6 in : Siemens AG, Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik, 2008 , http : / / www . siemens . de/ lowvoltage/ grundlagen .

In der Regel sind die heutigen Motorstarter entweder durch eine entsprechende Verschaltung von Schützen realisiert , siehe DE 10 2008 026 376 Al ( Siemens AG) 02 . 12 . 2009 , oder als Hybrid-Starter ausgeführt , siehe DE 10 2012 214 814 Al ( Siemens AG) 27 . 02 . 2014 , wobei mit „Hybrid" eine Kombination aus robuster Relaistechnik und verschleiß freier Halbleitertechnologie gemeint ist . Bei beiden Aus führungen steuert eine zentrale Steuereinheit Schaltelemente des Motorstarters an, entweder einen stromleitenden oder einen stromsperrenden Zustand einzunehmen . Hierzu empfängt die zentrale Steuereinheit von Sensoren, die durch den Motorstarter führende Strombahnen überwachen, Messwerte zu Strom, Spannung oder Temperatur, aus denen die zentrale Steuereinheit ableiten kann, ob in den Strombahnen akzeptable Betriebsbedingungen herrschen, so dass elektrische Energie durch die Strombahnen und die Schaltelemente hindurch zum Motor geleitet werden kann, oder ob inakzeptable Betriebsbedingungen wie ein Kurzschluss oder eine länger andauernde Überlast vorliegen, so dass die Stromleitung durch die Strombahnen mittels der Schaltelemente unterbrochen werden muss .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Schaltgerät .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schaltgerät mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem durch ein Verfahren mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst .

Das Schaltgerät weist zwei oder mehr Strombahnen auf , über welche eine Energiezufuhr für eine nachgeschaltete Last erfolgen kann . Das Schaltgerät kann z . B . ein Motorstarter, ein Sanftstarter oder ein Schütz sein . Die Last kann ein induktives Verhalten, z . B . ein Elektromotor, ein resistives Verhalten, z . B . eine Elektrohei zung, oder ein kapazitives Verhalten, z . B . ein Gleichrichter, aufweisen . Die Strombahnen leiten den für die elektrische Last vorgesehenen Laststrom von einer netzseitigen Anschlussvorrichtung des Schaltgeräts durch das Schaltgerät zu einer lastseitigen Anschlussvorrichtung des Schaltgeräts . In den Strombahnen sind j eweils eine elektronische Unterbrechungseinheit und ein mechanischer Schalter in Reihe angeordnet , d . h . der Strom zur Versorgung der Last wird sowohl über die elektronische Unterbrechungseinheit als auch über den mechanischen Schalter geführt . Vorzugsweise ist die elektronische Unterbrechungseinheit der netzseitigen Anschlussvorrichtung und der mechanische Schalter der lastseitigen Anschlussvorrichtung zugeordnet .

Eine elektronische Unterbrechungseinheit ist ein elektronischer Schalter, der die Funktion eines elektromechanischen Schalters realisiert , der aber keine beweglichen Teile auf- weist . Die elektronische Unterbrechungseinheit ist durch halbleiterbasierte Schaltelemente in einen hochohmigen Zustand der Schaltelemente zur Vermeidung eines Stromflusses oder einen niederohmigen Zustand der Schaltelemente zum Stromfluss in der Strombahn schaltbar ; dazu werden Halblei- ter-basierte Schaltelemente wie Feldef fekttransistoren ( FET ) , MOSFETs ( Sili zium, Galliumnitrid, Sili ziumcarbit ) , IGBTs , Bipolartransistoren oder Dioden eingesetzt . Eine elektronische Unterbrechungseinheit weist zusätzlich zu einem Halbleiterschalter ein Schutzelement für den Halbleiterschalter auf .

Ein mechanischer Schalter, auch als : mechanische Trennkontakteinheit bezeichnet , ist ein elektromechanischer Schalter, der durch ein Öf fnen von Kontakten zur Vermeidung eines Stromflusses in der Strombahn in einen stromsperrenden Zustand oder durch ein Schließen der Kontakte für einen Stromfluss in der Strombahn in einen stromleitenden Zustand schaltbar ist . Der mechanische Schalter ist ein mechanisches Trennkontaktsystem, insbesondere mit Trennereigenschaften gemäß einschlägigen Normen für Niederspannungsstromkreise ( Spannungen von bis zu 1000 Volt Wechselspannung oder bis zu 1500 Volt Gleichspannung) , wobei die Kontakte des mechanischen Trennkontaktsystems in Serie zur elektronischen Unterbrechungseinheit geschaltet sind . Der mechanische Schalter kann beispielsweise als ein Relais ausgebildet sein .

Den Strombahnen ist j eweils eine dezentrale Steuereinheit zugeordnet , die dazu ausgebildet ist , die elektronische Unterbrechungseinheit anzusteuern; der Schalt zustand einer elektronische Unterbrechungseinheit ( stromleitend oder stromsperrend) wird also durch die zugeordnete dezentrale Steuereinheit gesteuert .

Das erfindungsgemäße Schaltgerät kann in eine elektrische Versorgungsleitung einer elektrischen Last geschaltet und zum Schalten und/oder Schützen der elektrischen Last verwendet werden; daher kann das erfindungsgemäße Schaltgerät alternativ auch als ein Schalt- und Schutzgerät bezeichnet werden . Das Schützen der elektrischen Last durch das Schaltgerät dient dazu, die elektrische Last und die zu der elektrischen Last führende Versorgungsleitung vor unzulässig hohen Strömen zu schützen . Eine Versorgungsleitung einer elektrischen Last ist eine elektrische Leitung, über die die Last mit elektrischer Energie versorgt wird . Beispiele für die Verwendung eines Schaltgeräts sind Anwendungen als Leistungsschalter, Schütze , Relais und Motorstarter, d . h . ein Schaltgerät zum Starten eines elektrischen Motors .

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Schaltgeräts mit zwei oder mehr Strombahnen, über welche eine Energiezufuhr für eine nachgeschaltete Last erfolgt . Dabei sind in den Strombahnen j eweils eine elektronische Unterbrechungseinheit und ein mechanischer Schalter in Reihe angeordnet . Das Verfahren weist ein Ansteuern der elektronischen Unterbrechungseinheit einer Strombahn j eweils durch eine dezentrale Steuereinheit auf , die dieser Strombahn zugeordnet ist .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass eine Mehrcontroller-Architektur für ein elektronisches Schalt- und Schutzgerät , d . h . eine mit elektronischen Unterbrechungseinheiten ausgestattetes Schalt- und Schutzgerät , Vorteile beim Kurzschlussschutz bietet : Da die Strom- und/oder Spannungswerte , aus denen der Kurzschluss erkannt wird, nicht erst über einen langen Ubertragungsweg zu einer zentralen Steuereinheit gesendet und die Schaltbefehle von dort wieder zur elektronische Unterbrechungseinheit zurück gesendet werden müssen, sondern in einer dezentralen Steuereinheit , welche physikalisch nahe bei dem Strom-/Spannungs-Sensor und der elektronische Unterbrechungseinheit angeordnet ist und über kurze Ubertragungswege erreichbar ist , die Strom- und/oder Spannungswerte analysiert und die Schaltbefehle erzeugt werden, kann eine Schaltreaktion auf eine eintref fende Gefahr wie Kurzschluss oder Überlast signi fikant schneller als bisher erfolgen . Durch die Verteilung der Steuerfunktion auf mehrere dezentrale Steuereinheiten können kleinere und kostengünstigere Steuereinheiten eingesetzt werden als bei einer Architektur mit einer einzigen zentralen Steuereinheit . Auch durch eine geschickte Aufteilung der Funktionen zwischen der zentralen Steuereinheit und den dezentralen Steuereinheiten können im Vergleich zu einer Single-Controller-Lösung weniger leistungs fähige Controller eingesetzt werden .

Im Fall eines Aus falls einer dezentralen Steuereinheit übernimmt die zentrale Steuereinheit die Ansteuerung der elektronischen Unterbrechungseinheit , die der ausgefallenen dezentralen Steuereinheit zugeordnet ist . Falls die dezentrale Steuereinheit einen Aus fall eines Sensors erkennt , sendet die dezentrale Steuereinheit einen Ausschaltbefehl direkt an die zugeordnete elektronische Unterbrechungseinheit , damit der unsichere Betriebs zustand möglichst schnell beendet wird . Außerdem meldet die dezentrale Steuereinheit diese Information, dass ein Fehler in einem Sensor vorliegt , an die zentrale Steuereinheit , die daraufhin Aktionen der anderen dezentralen Steuereinheiten triggert .

Diese Aus führung eines Schaltgeräts mit einer dezentralen Steuereinheit pro Strombahn kann als „Mehrcontroller"- Architektur bezeichnet werden; eine derartige Architektur ist der Kern der vorliegenden Erfindung . Sie dient als Basis für einen modularen Aufbau sowohl auf Seiten der HW-Entwicklung als auch auf Seiten der FW-Entwicklung ( FW = Firmware , HW = Hardware ) . Sie kann z . B . für einen 3-phasigen Motorstarter oder für einen ( 3+N) - Inf rastrukturschalter eingesetzt werden .

Die Erfindung stellt ein Schaltgerät bereit , welches eine Kurzschluss festigkeit für sehr hohe Netzanschlussleistungen bietet , einen Kurzschlussschutz auch für sehr hohe Stromanstiege bietet und flexibel ist hinsichtlich der Erweiterung von Schutz- und Mess funktionen . Insbesondere ermöglichen die dezentralen Steuereinheiten flexibel einstellbare Kurzschlusslimits für j ede Phase bzw . j ede Strombahn . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltgerät eine zentrale Steuereinheit auf , die dazu ausgebildet ist , für eine Koordination der elektronischen Unterbrechungseinheiten und der mechanischen Schalter in den zwei oder mehr Strombahnen mit den dezentralen Steuereinheiten zu kommuni zieren . Ein Vorteil dabei ist , dass die zentrale Steuereinheit Informationen zu Messwerten in den Strombahnen und Schalt zuständen der elektronischen Unterbrechungseinheiten von den dezentralen Steuereinheiten erhält und auf Basis dieser Informationen gegebenenfalls zusätzliche Ein- oder Ausschaltbefehle an die dezentralen Steuereinheiten senden kann .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zentrale Steuereinheit als ein separates physisches Elektronikbauelement des Schaltgerät ausgebildet . Ein Vorteil dabei ist , dass die Firmware , die in den dezentralen Steuereinheiten läuft , identisch sein kann und somit unterschiedliche Lauf zeiten zum Abarbeiten von Algorithmen der Firmware unwahrscheinlich sind .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die zentrale Steuereinheit in Form eines Firmware-Bausteins ( engl . : Firmware Stack) in mindestens eine der dezentralen Steuereinheiten integriert . Der FW-Baustein bietet die volle Funktionalität der zentralen Steuereinheit für die Koordination der Phasen, d . h . für eine Koordination der elektronischen Unterbrechungseinheiten und der mechanischen Schalter in den zwei oder mehr Strombahnen des Schaltgerätes . Ein Vorteil dabei ist , dass Hardware eingespart wird, nämlich ein separates physisches Elektronikbauelement für eine zentrale Steuereinheit .

Die zentrale Steuereinheit wird als ein separater Controller oder als ein FW-Baustein, der auf einer der dezentralen Steuereinheiten läuft , bereitgestellt . Diese zentrale Steuerein- heit bekommt dann alle Informationen zu Messgrößen und Zustand in den entsprechenden anderen Strombahnen und kann dann gegebenenfalls Ein- oder Ausschaltbefehle an die anderen dezentralen Steuereinheiten senden .

Die zentrale Steuereinheit sendet Informationen, z . B . Schaltbefehle , Parametersätze , Befehle zum Aktivieren von Zu- satz funktionen, an die dezentralen Steuereinheiten und empfängt Informationen, z . B . Messwerte , Fehlerzustände , Parametersätze , von den dezentralen Steuereinheiten . Die zentrale Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Spannungsversorgung der dezentralen Steuereinheiten zu aktivieren .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist den Strombahnen j eweils ein Sensor zum Messen einer Stromstärke in der Strombahn und/oder einer Spannung in der Strombahn, gegen eine Bezugsspannung einer anderen Strombahn, zugeordnet , wobei der Sensor dazu ausgebildet ist , dass die Messwerte an die der Strombahn zugeordnete dezentrale Steuereinheit übertragen werden können . Dazu kann der Sensor eine Schnittstelle für eine drahtgebundene oder eine drahtlose Übertragung aufweisen . Ein Vorteil dabei ist , dass die aktuellen Betriebsbedingungen in den Strombahnen und der Zustand der Energiezufuhr für eine nachgeschaltete Last erfasst werden können .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltgerät ein Interface zur Parametrierung des Schaltgerätes auf . Ein Vorteil dabei ist , dass das Schaltgerät einfach durch ein externes Parametriergerät drahtgebunden oder drahtlos parametriert werden kann .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dezentralen Steuereinheiten direkt miteinander kommuni zieren . Mit anderen Worten sind die dezentralen Steuereinheiten dazu ausgebildet , untereinander zu kommunizieren . Zum Beispiel können zwei digitale Signale (Eingang und Ausgang) zwischen zwei dezentralen Steuereinheiten ausgetauscht , d . h . gesendet und empfangen, werden . Beispielsweise kann die Information eines Stromnulldurchgangs bei einer dezentralen Steuereinheit an eine oder mehrere der anderen dezentralen Steuereinheiten übertragen werden . Die direkte Kommunikation kann auf verschiedenen Arten erfolgen .

Eine erste Möglichkeit ist die Datenkommunikation über ein Bussystem, z . B . unter Verwendung von SPI (= Serial Peripheral Interface ) oder einer seriellen Schnittstelle , z . B . UART (= Universal Asynchronous Receiver Transmitter ) zum Austausch von Informationen wie Messgrößen und Zuständen der dezentralen Steuereinheiten untereinander, in Form von binären Zeichenfolgen, ohne die zentrale Steuereinheit zu involvieren . Zum Beispiel bei der Realisierung der zentralen Steuerfunkti- onen in den dezentralen Steuereinheiten in Form des FW- Bausteins ist dieser Informationsaustausch notwendig .

Bei der zweiten Möglichkeit werden lediglich digitale Einzelsignale mit einer steigenden Flanke , einer fallenden Flanke und einer Zeitdauer des Signalpegels als Informationsträger übertragen . Bei diesen digitalen Signalen, die durch die dezentralen Steuereinheiten generiert werden, können in die steigende Flanke , die fallende Flanke und die Zeitdauer des Signalpegels Informationen kodiert werden . Welche Information, z . B . Überström- Fehler , Überlast-Fehler, Stromnulldurchgang, dem j eweiligen Signal zugeordnet ist , kann von der zentralen Steuereinheit in einer Kodiervorschri ft vorab festgelegt werden, die den dezentralen Steuereinheiten zur Verfügung gestellt wird . Als Beispiel wäre hier die Nullstromerkennung in einer der dezentralen Steuereinheiten zu nennen . Wird ein Stromnulldurchgang erkannt , dann wird der Pegel eines digitalen Signals von Low auf High geändert , oder auch High auf Low . Dieses Signal wird von den anderen dezentralen Steuereinheiten erfasst und Aktionen können dementsprechend durch die dezentralen Steuereinheiten getriggert werden . Die Information des Nulldurchgangs in einer dezentralen Steuereinheit kann für die anderen dezentralen Steuereinheiten relevant sein . Das Übertragungssystem zur Übertragung von digitalen Signalen über Digitale Signalleitungen zwischen den de- zentralen Steuereinheiten vermeidet Verzögerungen, die bei einem Bussystem auf Grund des Kommunikationsmediums und der Verarbeitung der Information auftreten können .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen j eweils zwei Strombahnen eine I solationsbarriere ausgebildet . Ein Vorteil dabei ist , dass die elektrische Sicherheit verbessert ist .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die dezentralen Steuereinheiten j eweils konfigurierbare analoge Module auf . Die analogen Module können z . B . Komparatoren oder Operationsverstärker sein . Diese in die dezentralen Steuereinheiten integrierten analogen Module können per Firmware konfigurierbar sein, was die Komplexität von extern notwendiger Hardware reduzieren kann . Ein Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung ist , dass eine hohe Flexibilität gewährleistet ist und die Herstellung und Reparatur des Schaltgeräts vereinfacht wird .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden die dezentrale Steuereinheit , die elektronische Unterbrechungseinheit und der Sensor, die j eweils einer Strombahn zugeordnet sind, ein Schutz- und Mess-Modul . Ein solches Modul kann auch als Schutz- und Mess-Zelle ( engl . : Protection and Measurement Gell ) bezeichnet werden . Ein Modul dieser Art kann neben dem Kurzschlussschutz noch weitere Funktionen übernehmen :

• Shunt-basierte Strommessung mit sehr hoher Bandbreite >500kHz : Das Modul kann dazu einen Shunt zur Messung des Stroms in der Strombahn aufweisen . Dadurch kann das Schaltgerät einen Kurzschluss relativ schnell erkennen und darauf reagieren .

• Messen der Netzspannung zwischen zwei Strombahnen und Messen der über der elektronische Unterbrechungseinheit anliegenden Schalterspannung : Das Modul kann dazu ein oder mehrere Spannungsmessgeräte zur Messung von Spannungen aufweisen . Dadurch kann ein Kurzschluss detektiert werden . Die zentrale Steuereinheit kann aus den Größen Netzspannung und Schalterspannung auf die am Steuergerät lastseitig anliegende Spannung rückschließen; diese Information kann z . B . beim Wiederanlauf eines Elektromotors genutzt werden .

• Bereitstellen der Messwerte über eine Kommunikationsschnittstelle des Moduls . Das Modul kann dazu eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen . Die Messwerte können der zentralen Steuereinheit über diese Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden .

Der Kern des Schutz- und Mess-Moduls ist die dezentrale Steuereinheit , d . h . ein Controller, der Schutz- und Zusatz funktionen realisieren kann . Die Schutz- und Mess-Module bzw . die dezentralen Steuereinheiten eines Schaltgerätes werden von einem überlagerten Controller, der zentralen Steuereinheit , koordiniert . Über Kommunikationsverbindungen und -Schnittstellen können von der zentralen Steuereinheit Aktionen einer dezentralen Steuereinheit getriggert werden, z . B . ein Zuschalten eines Leistungshalbleiters , ein Aus führen von Diagnosefunktionen, etc . Über Kommunikationsverbindungen und - Schnittstellen können außerdem Messwerte bzw . Zustände von den dezentralen Steuereinheiten an die zentrale Steuereinheit übermittelt werden .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf : Messen einer Stromstärke und/oder einer Spannung in der Strombahn; Senden der Messwerte an die der Strombahn zugeordnete dezentrale Steuereinheit ; Senden von Steuerbefehlen an die elektronische Unterbrechungseinheit einer Strombahn auf Basis der in der Strombahn gemessenen Messwerte . Ein Vorteil dabei ist , dass die aktuellen Betriebsbedingungen in den Strombahnen und der Zustand der Energiezufuhr für eine nachgeschaltete Last erfasst werden können .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltgerät Signalleitungen auf , über die die dezentralen Steuereinheiten bzw . die Schutz- und Mess-Module synchronisiert werden können, z . B . für ein gleichzeitiges Samplen von Messwerten in allen Schutz- und Mess-Modulen . Dazu kann das Schaltgerät eigens dafür vorgesehene Signalleitungen aufweisen, oder für eine Synchronisierung nötigen Synchronisierungssignale werden über die ohnehin vorhandenen Kommunikationsverbindungen zwischen der zentralen Steuereinheit und den dezentralen Steuereinheiten gesendet .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sendet die zentrale Steuereinheit Synchronisierungssignale an die dezentralen Steuereinheiten, wodurch die dezentralen Steuereinheiten synchronisiert werden können . Durch die Synchronisierungssignale , die von den dezentralen Steuereinheiten empfangen wurden, können die dezentralen Steuereinheiten ihre Berechnungsschritte und/oder Aktionen untereinander synchronisieren, so dass eine gleichzeitige Aus führung der Berechnungsschritte und/oder Aktionen sichergestellt ist . Die Genauigkeit der Synchronisierung der dezentralen Steuereinheiten kann im Bereich von Nanosekunden liegen . Berechnungsschritte können ein Abarbeiten eines Algorithmus betref fen, der z . B . in Form eines Computerprogramms auf einer dezentralen Steuereinheit läuft . Aktionen umfassen ein Schalten einer elektronischen Unterbrechungseinheit zu einem Schalt Zeitpunkt und ein Abtasten von Geräten der analogen Peripherie zu einem Abtastzeitpunkt . Ein Synchronisierungssignal kann durch eine fallende und/oder steigende Flanke eines digitalen Signals ausgebildet sein .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgende Schritte auf : Senden von Informationen bezüglich der Messwerte und der Steuerbefehle von den dezentralen Steuereinheiten zu einer zentralen Steuereinheit des Schaltgeräts ; Koordinieren, durch die zentrale Steuereinheit , der elektronischen Unterbrechungseinheiten und der mechanischen Schalter in den zwei oder mehr Strombahnen, auf Basis der empfangenen Informationen . Ein Vorteil dabei ist , dass die zentrale Steuereinheit alle Informationen zu Messgrößen und Zustand in den entsprechenden anderen Strombahnen erhält und gegebenenfalls Ein- oder Ausschaltbefehle an die anderen dezentralen Steuereinheiten senden kann .

Im Folgenden wird die Erfindung unter Zuhil fenahme der beiliegenden Zeichnung erläutert . Es zeigt j eweils schematisch und nicht maßstabsgetreu

Fig . 1 eine typische Schaltungsanordnung eines Schaltgeräts ;

Fig . 2 einen schematischen Aufbau eines bekannten Schaltgeräts ;

Fig . 3 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts ;

Fig . 4 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts ;

Fig . 5 ein Ablauf diagramm einer Kurzschlussabschaltung;

Fig . 6 ein Beispiel einer Kurzschlussabschaltung;

Fig . 7 ein Ablauf diagramm einer betriebsmäßigen Einschaltung;

Fig . 8 ein Ablauf diagramm eines ersten Modus einer betriebsmäßigen Einschaltung; und

Fig . 9 ein Ablauf diagramm eines anderen Modus einer betriebsmäßigen Einschaltung;

Fig . 10 eine Ausgestaltung einer direkten Kommunikation über ein Bussystem; und

Fig . 11 eine Ausgestaltung einer direkten Kommunikation durch digitale Signale . Fig. 1 zeigt eine typische Schaltungsanordnung eines Schaltgeräts 1, das in einer dreiphasigen elektrischen Versorgungsleitung 51, 52, unterteilt in eine netzseitige Versorgungsleitung 51 und eine lastseitige Versorgungsleitung 52, angeordnet ist, über welche elektrische Energie von einem elektrischen Versorgungsnetz 50 mit drei Außenleitern LI, L2, L3 zu einer elektrischen Last 53, z. B. einem Elektromotor oder einer Elektroheizung, geleitet wird. Das Schaltgerät 1 weist netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 und lastseitige Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332 auf, mittels derer das Schaltgerät 1 in die elektrischen Versorgungsleitung 51, 52 geschaltet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch den inneren Aufbau eines herkömmlichen Schaltgeräts 1, welches in einer Schaltungsanordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet sein kann. Das Schaltgerät 1 weist drei Strombahnen 13, 23, 33 auf, über die jeweils einer der Außenleiter LI, L2, L3 des dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 1 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die netzseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit den netzseitigen Versorgungsleitungen 51 des Versorgungsnetzes 50 elektrisch verbunden werden können. Das Schaltgerät 1 weist dazu außerdem lastseitige Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit den lastseitigen Versorgungsleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können.

In jeder der Strombahnen 13, 23, 33 sind jeweils eine elektronische Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 und ein mechanischer Schalter 12, 22, 32 in Reihe angeordnet, wobei ein elektrischer Strom mit einer Stromrichtung von den netzseitigen Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 zu den lastseitigen Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332 zuerst durch die elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 und danach durch die mechanischen Schalter 12, 22, 32 fließt. Zwischen den netzseitigen Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 und den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 sind in den Strombahnen 13, 23, 33 jeweils Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 angeordnet, die zum Messen des Stroms I und/oder der elektrischen Spannung U in den Strombahnen 13, 23, 33 geeignet sind.

Das Schaltgerät 1 weist eine zentrale, mit einem Prozessor 3 ausgestattete Steuereinheit 2 auf, welche Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 über Datenleitungen 410, 420, 430 empfangen kann und Schaltbefehle über Kommunikationsverbindungen 14, 24, 34 zu den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 und über eine Steuerleitung 16 an ein die mechanischen Schalter 12, 22, 32 beaufschlagendes Schaltschloss 15 senden kann. Die Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 können als analoge Signale oder als digitale Daten vorliegen. Unter Datenleitungen 410, 420, 430 werden hier jegliche Ubertragungsmit- tel verstanden, sowohl Ubertragungsleitungen, z. B. Kabel, als auch drahtlose Ubertragungsmittel , z. B. NFC (= Near Field Communication) , Bluetooth, WLAN (= Wireless Local Area Network) .

Die Steuereinheit 2 kann die empfangenen Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 analysieren und auf Basis der Analyse feststellen, ob die Strom- und/oder Spannungswerte in einem üblichen und ordnungsgemäßen Bereich oder in einem nicht akzeptablen Bereich, z. B. in einem Überlastbereich, einem Kurzschlussbereich, etc., liegen. Die Steuereinheit 2 kann durch entsprechende Schaltbefehle jeweils einen stromsperrenden Zustand oder einen stromleitenden Zustand der elektronische Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 und der mechanischen Schalter 12, 22, 32 einstellen. Im Regelbetrieb kann die Steuereinheit 2 durch entsprechende Schaltbefehle eine Zufuhr elektrischer Energie zu der Last schalten. Beispielweise kann beim Unterbrechen einer Strombahn im Regelbetrieb ein unerwünschter Lichtbogen zwischen den Kontakten des mechanischen Schalters dadurch vermieden werden, dass zunächst die elektronische Unterbrechungseinheit stromsperrend geschaltet wird und erst danach der mechanische Schalter geöffnet wird. Falls Strom- und/oder Spannungswerte in einem nicht akzeptablen Bereich liegen, kann das Schaltgerät 1 durch entsprechende Schaltbefehle die dem Schaltgerät 1 nachgeschaltete Last durch Unterbrechen der Strombahnen vor Schaden bewahren.

Eine Parametrierung der Steuereinheit 2 kann kabelgebunden oder drahtlos (engl. : wireless) erfolgen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Parameter der Steuereinheit 2 über ein Potentiometer der Steuereinheit 2 eingestellbar sind .

Fig. 3 zeigt, mit einem relativ geringen Detaillierungsgrad, den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100, welches in einer Schaltungsanordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, verwendet sein kann. Gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Schaltgerät 1 zeichnet sich das erfindungsgemäße Schaltgerät 100 dadurch aus, dass jeder elektronischen Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 eine dezentrale Steuereinheit 111, 211, 311 zugeordnet ist. In der dargestellten Ausgestaltung weist das Schaltgerät 100 zusätzlich zu den dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 eine zentrale Steuereinheit 200 auf, die eine Koordination zwischen den dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 durchführt. Abgesehen von den dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 ist der Aufbau des in Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100 somit vergleichbar mit dem Aufbau des in Fig. 2 dargestellten herkömmlichen Schaltgeräts 1; die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung ist mit einem erfindungsgemäßen Schaltgerät 100 ebenso möglich wie mit einem herkömmlichen Schaltgerät 1.

Das Schaltgerät 100 weist drei Strombahnen 13, 23, 33 auf, über die jeweils einer der Außenleiter LI, L2, L3 des dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 1 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die netzseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit Anschlussleitungen 51 des Versorgungsnetzes 50 elektrisch verbunden werden können. Das Schaltgerät 1 weist dazu außerdem lastseitige Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit Anschlussleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können.

In jeder der Strombahnen 13, 23, 33 sind jeweils eine elektronische Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 und ein mechanischer Schalter 12, 22, 32 in Reihe angeordnet, wobei ein elektrischer Strom mit einer Stromrichtung von den netzseitigen Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 zu den lastseitigen Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332 zuerst durch die elektronische Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 und danach durch die mechanischen Schalter 12, 22, 32 fließt. Zwischen den netzseitigen Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 und den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 sind in den Strombahnen 13, 23, 33 jeweils Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 angeordnet, die zum Messen des Stroms I und/oder der elektrischen Spannung U in den Strombahnen 13, 23, 33 geeignet sind.

Jeder der elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 ist jeweils eine dezentrale Steuereinheit 111, 211, 311 zugeordnet. Diese dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 empfangen Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 über Datenleitungen 410, 420, 430 und senden Schaltbefehle über Kommunikationsverbindungen 116, 216, 316 zu den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31. Die Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41, 42, 43 können als analoge Signale oder als digitale Daten vorliegen. Unter Datenleitungen 410, 420, 430 werden hier jegliche Ubertra- gungsmittel verstanden, sowohl Ubertragungsleitungen, z. B. Kabel, Drähte, als auch drahtlose Ubertragungsmittel ; z. B. NEC, Bluetooth, WLAN. Bei den Schaltbefehlen kann es sich um einfache digitale Signale (mit zwei unterschiedlichen Zuständen: low - high) handeln. Die dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 können die empfangenen Messwerte der Strom- und/oder Spannungssensoren 41 , 42 , 43 analysieren und auf Basis der Analyse feststellen, ob die Strom- und/oder Spannungswerte in einem üblichen und ordnungsgemäßen Bereich oder in einem nicht akzeptablen Bereich, z . B . in einem Überlastbereich, einem Kurzschlussbereich, etc . , liegen . Die dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 können durch entsprechende Schaltbefehle j eweils einen stromsperrenden Zustand oder einen stromleitenden Zustand den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11 , 21 , 31 einstellen . Im Regelbetrieb können die dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 durch entsprechende Schaltbefehle eine Zufuhr elektrischer Energie zu der Last schalten . Beispielweise kann beim Unterbrechen einer Strombahn im Regelbetrieb ein unerwünschter Lichtbogen zwischen den Kontakten des mechanischen Schalters dadurch vermieden werden, dass zunächst die elektronische Unterbrechungseinheit 11 , 21 , 31 stromsperrend geschaltet wird und erst danach der mechanische Schalter 12 , 22 , 32 geöf fnet wird . Falls Strom- und/oder Spannungswerte in einem nicht akzeptablen Bereich liegen, kann das Schaltgerät 100 durch entsprechende Schaltbefehle die dem Schaltgerät 100 nachgeschaltete Last durch Unterbrechen der Strombahnen vor Schaden bewahren .

Das Schaltgerät 100 weist außerdem eine mit einem Prozessor 201 ausgestattete zentrale Steuereinheit 200 auf . Die zentrale Steuereinheit 200 ist über Kommunikationsverbindungen 140 , 240 , 340 mit den dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 verbunden; auf diese Weise kann die zentrale Steuereinheit 200 durch Steuerbefehle das Steuerungsverhalten der dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 koordinieren .

Die zentrale Steuereinheit 200 kommuni ziert mit j eder dezentralen Steuereinheit 111 , 211 , 311 separat . Die Kommunikation dient zum einen der Informationsübertragung und zum anderen der Synchronisierung aller dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 , damit bei Bedarf ein koordiniertes Schalten aller elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 möglich ist .

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die dezentralen Steuereinheit 111, 211, 311 direkt miteinander kommunizieren. Zum Beispiel können zwei digitale Signale (Eingang und Ausgang) zwischen den dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 ausgetauscht, d. h. gesendet und empfangen, werden. Beispielsweise kann die Information eines Stromnulldurchgangs bei einer dezentralen Steuereinheit an eine oder mehrere der anderen dezentralen Steuereinheiten übertragen werden.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung, die in Fig. 3 skizziert ist, werden die mechanischen Schalter 12, 22, 32 nicht durch die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311, sondern durch die zentrale Steuereinheit 200 angesteuert. Die zentrale Steuereinheit 200 sendet dazu über eine Steuerleitung 160 Steuerbefehle an ein die mechanischen Schalter 12, 22, 32 beaufschlagendes Schaltschloss 150.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Ansteuerung der mechanischen Schalter 12, 22, 32 durch die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311. In diesem Fall schickt die zentrale Steuereinheit 200 Schaltbefehle, die eine Schaltung der mechanischen Schalter 12, 22, 32 bewirken sollen, über Kommunikationsverbindungen 140, 240, 340 an die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311. Die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 wiederum senden Steuerbefehle an das Schaltschloss 150 oder direkt an einen Schaltaktor des jeweiligen mechanischen Schalters 12, 22, 32.

Ein Variante des Schaltgerätes 100 ist die Verlagerung einer oder mehrerer Funktionen der zentralen Steuereinheit 200 in eine der dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311. Dazu können die Funktionen als Software-Komponenten in eine der dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 integriert werden. Die Koordinationsfunktion kann auch dezentral ausgebildet sein, z. B. in einer oder mehreren der dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 integriert sein. Die Koordinationsfunktion kann als eine Software-Komponente, z. B. als Firmware, ausgebildet sein.

Eine Parametrierung der Steuereinheit 2 kann drahtgebunden oder wireless erfolgen.

Fig. 4 zeigt eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100 mit einem relativ hohen Detaillierungsgrad. Das Schaltgerät 100 weist drei Strombahnen 13, 23, 33 auf, über die jeweils einer der Außenleiter LI, L2, L3 eines dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 100 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die netzseitigen Enden der Strombahnen 130, 230, 330 mit Anschlussleitungen 51 des Versorgungsnetzes 50 elektrisch verbunden werden können. Das Schaltgerät 1 weist dazu außerdem lastseitige Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332, z. B. Schraubklemmen oder Federkraf tklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit Anschlussleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können .

In jeder der Strombahnen 13, 23, 33 sind jeweils ein Schutz- und Mess-Modul 170, 270, 370 und ein mechanischer Schalter 12, 22, 32 in Reihe angeordnet, wobei ein elektrischer Strom mit einer Stromrichtung von den netzseitigen Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331 zu den lastseitigen Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332 zuerst durch die Schutz- und Mess- Module 170, 270, 370 und danach durch die mechanischen Schalter 12, 22, 32 fließt.

Die Schutz- und Mess-Module 170, 270, 370 weisen jeweils eine netzseitige Anschlussvorrichtung 123, 223, 323 und eine lastseitige Anschlussvorrichtung 124, 224, 324 auf, womit die Schutz- und Mess-Module 170, 270, 370 in die Strombahnen 13, 23, 33 geschaltet sind. Die netzseitigen Anschlussvorrichtun- gen 123, 223, 323 und die lastseitigen Anschlussvorrichtungen 132, 232, 332 sind jeweils durch eine Laststromleitung 130, 230, 330 elektrisch miteinander verbunden. Die Schutz- und Mess-Module 170, 270, 370 weisen jeweils einen Stromsensor 114, 214, 314 zum Messen des Stroms I in den Laststromleitungen 130, 230, 330 und eine elektronische Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 auf, die in den Laststromleitungen 130, 230, 330 in Reihe geschaltet sind.

Die Schutz- und Mess-Module 170, 270, 370 weisen jeweils eine dezentrale Steuereinheit 111, 211, 311 auf, die jeweils der elektronische Unterbrechungseinheit 11, 21, 31 der Schutz- und Mess-Module 170, 270, 370 zugeordnet ist. Diese dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 empfangen Messwerte der Stromsensoren 114, 214, 314 über Datenleitungen 115, 215, 315 und senden Schaltbefehle über Kommunikationsverbindungen 116, 216, 316 zu den elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31. Die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 können die empfangenen Messwerte der Stromsensoren 41, 42, 43 analysieren und auf Basis der Analyse feststellen, ob die Stromwerte in einem üblichen und ordnungsgemäßen Bereich oder in einem nicht akzeptablen Bereich, z. B. in einem Uberlastbe- reich, einem Kurzschlussbereich, etc., liegen. Die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 können durch entsprechende Schaltbefehle jeweils einen stromsperrenden Zustand oder einen stromleitenden Zustand der elektronischen Unterbrechungseinheiten 11, 21, 31 einstellen. Im Regelbetrieb können die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 durch entsprechende Schaltbefehle eine Zufuhr elektrischer Energie zu der Last schalten. Beispielweise kann beim Unterbrechen einer Laststromleitung 130, 230, 330 im Regelbetrieb ein unerwünschter Lichtbogen zwischen den Kontakten des mechanischen Schalters dadurch vermieden werden, dass zunächst die elektronische Unterbrechungseinheit stromsperrend geschaltet wird und erst danach der mechanische Schalter geöffnet wird. Falls Strom- und/oder Spannungswerte in einem nicht akzeptablen Bereich liegen, kann das Schaltgerät 100 durch entsprechende Schalt- befehle die dem Schaltgerät 100 nahgeschaltete Last durch Unterbrechen der Strombahnen vor Schaden bewahren .

Das Schaltgerät 100 weist außerdem eine mit einem Prozessor 201 ausgestattete zentrale Steuereinheit 200 auf . Die zentrale Steuereinheit 200 ist über Kommunikationsverbindungen 140 , 240 , 340 mit den Schutz- und Mess-Module 170 , 270 , 370 verbunden . Dabei weisen die Schutz- und Mess-Module 170 , 270 , 370 j eweils ein Interface 112 , 212 , 312 auf , welches von der zentralen Steuereinheit 200 eintref fende Signale empfängt und Signale von den Schutz- und Mess-Modulen 170 , 270 , 370 an die zentrale Steuereinheit 200 absendet . Die Interfaces 112 , 212 , 312 sind dazu j eweils über eine Kommunikationsverbindung 117 , 217 , 317 mit der entsprechenden dezentralen Steuereinheit 111 , 211 , 311 verbunden . Auf diese Weise kann die zentrale Steuereinheit 200 durch Steuerbefehle das Steuerungsverhalten der dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 koordinieren; andererseits können Daten und Informationen, welche die zentrale Steuereinheit 200 für ihre Koordinierungsaufgaben benötigt , von den Schutz- und Mess-Modulen 170 , 270 , 370 j eweils an die zentrale Steuereinheit 200 übertragen werden .

Die zentrale Steuereinheit 200 kann außerdem über eine Steuerleitung 160 Steuerbefehle an ein die mechanischen Schalter 12 , 22 , 32 beaufschlagendes Schaltschloss 150 senden .

Eine Parametrierung der Steuereinheit 2 kann drahtgebunden oder wireless erfolgen .

Fig . 5 zeigt ein Ablauf diagramm einer Kurzschlussabschaltung in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät . Ein erster Schritt 501 markiert einen Zustand, in dem Strom in einer Strombahn der Mehrzahl von Strombahnen eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts , im Folgenden als „die Strombahn" bezeichnet , fließt . Im Schritt 502 ermittelt ein Stromsensor Messwerte der Stromstärke des in der Strombahn fließenden Stroms und sendet die Strommesswerte an die ihm zugeordnete Dezentrale Steuereinheit . Zusätzlich ermittelt ein Spannungssensor Spannungsmess- werte der an der Strombahn anliegenden Spannung und sendet die gemessenen Spannungsmesswerte ebenfalls an die ihm zugeordnete Dezentrale Steuereinheit . Im Schritt 503 empfängt die Dezentrale Steuereinheit empfängt die gemessenen Strom- und Spannungsmesswerte von den Sensoren . Im Schritt 504 vergleicht die Dezentrale Steuereinheit die Strommesswerte mit einem zulässigen Wertebereich bzw . einem Stromgrenzwert In _m . Hier nun werden zwei verschiedene Fälle betrachtet : In einem ersten Fall 1 stellt die Dezentrale Steuereinheit im Schritt 505 fest , dass die Strommesswerte innerhalb eines zulässigen Wertebereichs bzw . unter dem Stromgrenzwert Ii _im liegen . Daher wird dieser Mess zyklus im Schritt 506 mit dem Resultat beendet , dass keine Aktion nötig ist und der nächste Mess zyklus abgewartet wird .

In einem zweiten Fall 2 stellt die Dezentrale Steuereinheit im Schritt 507 fest , dass die Strommesswerte oberhalb eines zulässigen Wertebereichs bzw . über dem Stromgrenzwert Ii _im ( Triggerschwelle ) liegen . Die Dezentrale Steuereinheit stellt also fest , dass ein Kurzschluss vorliegt . Im Schritt 508 gibt die dezentrale Steuereinheit unverzögert einen Ausschaltbefehl direkt an die elektronische Unterbrechungseinheit , die in die Strombahn geschaltet ist , damit der Kurzschluss möglichst schnell beendet wird . Im Schritt 509 wechselt die elektronische Unterbrechungseinheit , ausgelöst durch den empfangenen Ausschaltbefehl , in einen stromsperrenden Zustand . Im Schritt 510 meldet die dezentrale Steuereinheit die Informationen, dass ein Kurzschluss in der Strombahn detektiert wurde und dass ein Ausschaltbefehl an die elektronische Unterbrechungseinheit , die in die Strombahn geschaltet ist , gesendet wurde , an die zentrale Steuereinheit . Im Schritt 511 triggert die zentrale Steuereinheit Aktionen der anderen dezentralen Steuereinheiten, z . B . einen Wechsel der elektronischen Unterbrechungseinheiten, die in die anderen Strombahnen des Schaltgeräts geschaltet sind, in einen stromsperrenden Zustand . Die zentrale Steuereinheit koordiniert somit die Öf fnung der elektronische Unterbrechungseinheiten in den an- deren Strombahnen 13 , 23 , 33 und vorzugsweise auch der mechanischen Schalter .

Ein ähnlicher Verfahrensablauf kann auch bei einer Unsymmetrieerkennung erfolgen . Bei einer symmetrischen Last ist die Summe der Ströme in den Strombahnen ( Phasen) ungefähr gleich Null . Bei der Unsymmetrieerkennung werden die Stromstärken in allen Strombahnen gemessen, summiert und mit einem Schwellwerteband verglichen : die Summe der Messwerte sollte in einem Werteband von +-x Ampere um den Nullpunkt liegen . Ein typischer Wert ist x = 2 , wobei der Wert am Schaltgerät einstellbar ist ( Parametrierung) . Falls die Summe der Messwerte innerhalb des Schwellwertebands liegt , ist keine Aktion nötig . Falls j edoch die Summe der Messwerte außerhalb des Schwellwertebands liegt , wird dies als eine Unsymmetrie erkannt und ein Abschaltbefehl wird an die dezentralen Steuereinheiten gesendet , die daraufhin ein Stromsperrend-Schalten der elektronischen Unterbrechungseinheiten veranlassen .

Fig . 6 illustriert ein Beispiel einer Kurzschlussabschaltung in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät . Der obere Teil des Graphen zeigt einen zeitlichen Verlauf von Stromstärke I _S w und Netzspannung U _G R, die in einer Strombahn der Mehrzahl von Strombahnen des Schaltgerät , im Folgenden als „die Strombahn" bezeichnet , vorliegen . Der mittlere Teil des Graphen zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Gate-Signals S _G , welches an einem Gate eines Gate-gesteuerten Halbleiterschalters der elektronischen Unterbrechungseinheit , die in die Strombahn geschaltet ist , anliegt . Der untere Teil des Graphen zeigt einen zeitlichen Verlauf eines Ausgangssignals S _c eines Strom-Komparators , der die in der Strombahn des Schaltgerät vorliegende Stromstärke I _S w mit einem Stromgrenzwert Ii _im vergleicht .

Zu einem Zeitpunkt tO , an dem die Sinuskurve der Netzspannung einen Nulldurchgang hat und eine Spannungsperiode beginnt , fließt Strom durch die Strombahn des Schaltgeräts ; dies wird ermöglicht dadurch, dass sich die elektronische Unterbre- chungseinheit , die in die Strombahn geschaltet ist , in einem stromleitenden Zustand befindet , ebenso wie ein mit der elektronische Unterbrechungseinheit in Reihe geschalteter mechanischer Schalter, der hier aber nicht weiter betrachtet wird . Die elektronische Unterbrechungseinheit weist einen Halbleiterschalter mit einem Gate auf , z . B . einen Transistor oder einen Thyristor ; j e nach der Ansteuerung des Gate kann die elektronische Unterbrechungseinheit in einen stromleitenden oder in einen stromsperrenden Betriebs zustand gebracht werden . Zum Zeitpunkt tO befindet sich die elektronische Unterbrechungseinheit in einem stromleitenden Zustand, da am Gate ein Steuersignal S _G > 0 anliegt .

Zum Zeitpunkt tl > tO wird in der betrachteten Strombahn ( Phase ) ein Kurzschluss ausgelöst . Die Stromstärke I _S w steigt daraufhin so lange an, bis zum Zeitpunkt t2 > tl ein vorgegebener Stromgrenzwert In _m überschritten wird . Die Überschreitung des Stromgrenzwerts In _m wird durch einen Komparator de- tektiert , der fortwährend kontrolliert , ob die Stromstärke Isw den Stromgrenzwert In _m überschreitet ; zum Zeitpunkt t2 der Überschreitung wechselt das Ausgangssignal S _c des Komparators von einem Wert S _c = 0 zu einem Wert S _c > 0 .

Die dezentrale Steuereinheit , die der betrachteten Strombahn zugeordnet ist , gibt unverzögert einen Ausschaltbefehl direkt an die elektronische Unterbrechungseinheit , die in die Strombahn geschaltet ist . Ausgelöst durch den Ausschaltbefehl wechselt die elektronische Unterbrechungseinheit von dem stromleitenden Zustand in einen stromsperrenden Zustand, indem das Gate-Signals S _G von einem Wert S _G > 0 zu einem Wert S _G = 0 wechselt . Infolgedessen klingt der Strom in der Strombahn auf 0 A ab und der Kurzschluss erlischt .

Fig . 7 zeigt ein Ablauf diagramm eines betriebsmäßigen Ausschaltens in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät . Im Schritt 701 sendet die zentrale Steuereinheit einen Ausschaltbefehl an die dezentralen Steuereinheiten . Im Schritt 702 , nach dem Erhalt des Ausschaltbefehls , warten die dezentralen Steuer- einheiten, bis der Strom ungefähr 0 A beträgt , mit einer einstellbaren Hysterese +- 0 . 5 A ( Parametrierung) . Im Schritt 703 geben die dezentralen Steuereinheiten den Ausschaltbefehl an die elektronischen Unterbrechungseinheiten .

Fig . 8 zeigt ein Ablauf diagramm eines ersten Modus eines betriebsmäßigen Einschaltens in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät . Im ersten Schritt 801 sendet die zentrale Steuereinheit einen Einschaltbefehl an die dezentralen Steuereinheiten . Im Schritt 802 , nach Erhalt des Einschaltbefehls , senden die dezentralen Steuereinheiten den Einschaltbefehl sofort an die elektronischen Unterbrechungseinheiten .

Fig . 9 zeigt ein Ablauf diagramm eines alternativen Modus eines betriebsmäßigen Einschaltens in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät . Im ersten Schritt 811 sendet die zentrale Steuereinheit einen Spannungsphasenwinkel , zu dem eingeschaltet werden soll , an die dezentralen Steuereinheiten . Im Schritt 812 wertet die dezentrale Steuereinheit die an den Eingangsanschlüssen des Schaltgeräts anliegende Eingangsspannung aus und gibt den Einschaltbefehl an die elektronischen Unterbrechungseinheiten, wenn der Spannungsphasenwinkel erreicht ist .

Fig . 10 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100 . Das Schaltgerät weist alle Merkmale wie das in Fig . 4 gezeigte Schaltgerät auf - die mechanischen Schalter 12 , 22 , 32 werden zur Vereinfachung der Darstellung in Fig . 10 nicht gezeigt - , hat aber zusätzlich noch ein Busbasiertes Kommunikationssystem ( kurz : Bussystem) mit einer Busleitung 5 zwischen den Schutz- und Mess-Modulen 170 , 270 , 370 , die j eweils eine dezentrale Steuereinheit 111 , 211 , 311 aufweisen . Die Datenkommunikation über das Bussystem, z . B . unter Verwendung von SPI oder einer seriellen Schnittstelle wie z . B . UART , dient zum Austausch von Informationen wie Messgrößen und Zuständen der dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 , untereinander, in Form von binären Zeichenfolgen, ohne die zentrale Steuereinheit 200 zu involvieren . Zum Beispiel bei der Realisierung der zentralen Steuerfunktionen in den dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 in Form des FW- Bausteins ist dieser Informationsaustausch notwendig .

Fig . 11 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100 . Das Schaltgerät weist alle Merkmale wie das in Fig . 4 gezeigte Schaltgerät auf - die mechanischen Schalter 12 , 22 , 32 werden zur Vereinfachung der Darstellung in Fig . 11 nicht gezeigt - , hat aber zusätzlich noch ein Übertragungssystem zur Übertragung von digitalen Signalen über Digitale Signalleitungen 6 , 7 , 8 zwischen den Schutz- und Mess-Modulen 170 , 270 , 370 , die j eweils eine dezentrale Steuereinheit 111 , 211 , 311 aufweisen . Eine erste digitale Signalleitung 6 dient einer Signalübertragung von der dezentralen Steuereinheit 111 des ersten Schutz- und Mess-Moduls 170 zu den dezentralen Steuereinheiten 211 , 311 des zweiten und dritten Schutz- und Mess-Moduls 270 , 370 . Eine zweite digitale Signalleitung 7 dient einer Signalübertragung von der dezentralen Steuereinheit 211 des zweiten Schutz- und Mess- Moduls 270 zu den dezentralen Steuereinheiten 111 , 311 des ersten und dritten Schutz- und Mess-Moduls 170 , 370 . Eine dritte digitale Signalleitung 8 dient einer Signalübertragung von der dezentralen Steuereinheit 311 des dritten Schutz- und Mess-Moduls zu den dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 des ersten und zweiten Schutz- und Mess-Moduls 170 , 270 .

Über die digitalen Signalleitungen 6 , 7 , 8 werden lediglich digitale Einzelsignale mit einer steigenden Flanke , einer fallenden Flanke und einer Zeitdauer des Signalpegels als Informationsträger übertragen . Bei diesen digitalen Signalen, die durch die dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 generiert werden, können in die steigende Flanke , die fallende Flanke und die Zeitdauer des Signalpegels Informationen kodiert werden . Welche Information, z . B . Überstrom-Fehler , Überlast-Fehler, Stromnulldurchgang, dem j eweiligen Signal zugeordnet ist , kann von der zentralen Steuereinheit 200 in einer Kodiervorschri ft vorab festgelegt werden, die den dezentralen Steuereinheiten 111 , 211 , 311 zur Verfügung gestellt wird . Als Beispiel wäre hier die Nullstromerkennung in einer der dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 zu nennen. Wird durch eine der dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 ein Stromnulldurchgang erkannt, dann ändert die erkennende dezentrale Steuereinheit 111, 211, 311 den Pegel ei- nes digitalen Signals von Low auf High bzw. von High auf Low. Diese Signalpegeländerung wird von den anderen dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 erfasst und Aktionen können dementsprechend durch die dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 getriggert werden. Die Information des Nulldurch- gangs durch eine dezentrale Steuereinheit 111, 211, 311 kann für die anderen dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 relevant sein. Das Übertragungssystem zur Übertragung von digitalen Signalen über Digitale Signalleitungen 6, 7, 8 zwischen den dezentralen Steuereinheiten 111, 211, 311 vermeidet Ver- Zögerungen, die bei einem Bussystem auf Grund des Kommunikationsmediums und der Verarbeitung der Information auftreten können .