DE102022208317A1

DE102022208317A1 - Switching device

Info

Publication number: DE102022208317A1
Application number: DE102022208317.2A
Authority: DE
Inventors: Dominic Malane; Thomas List; Stefan Langen; Hauke Nannen
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2024-02-15
Also published as: CN119698678A; WO2024032945A1; EP4515583A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät (100). Das Schaltgerät (100) weist zwei oder mehr Strombahnen (13, 23, 33) auf, über welche eine Energiezufuhr für eine nachgeschaltete Last (53) erfolgen kann. In den Strombahnen (13, 23, 33) sind jeweils eine elektronische Unterbrechungseinheit (11) und ein mechanischer Schalter (12) in Reihe angeordnet. Den Strombahnen (13, 23, 33) ist jeweils eine dezentrale Steuereinheit (111, 211, 311) zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, die elektronische Unterbrechungseinheit (11, 21, 31) anzusteuern.The invention relates to a switching device (100). The switching device (100) has two or more current paths (13, 23, 33) via which energy can be supplied to a downstream load (53). An electronic interruption unit (11) and a mechanical switch (12) are arranged in series in each of the current paths (13, 23, 33). A decentralized control unit (111, 211, 311) is assigned to each of the current paths (13, 23, 33), which is designed to control the electronic interruption unit (11, 21, 31).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät mit zwei oder mehr Strombahnen, über welche eine Energiezufuhr für einen nachgeschaltete elektrische Last erfolgen kann, wobei in den Strombahnen jeweils eine elektronische Unterbrechungseinheit und ein mechanischer Schalter in Reihe angeordnet sind. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Betriebsverfahren des Schaltgeräts.The present invention relates to a switching device with two or more current paths, via which energy can be supplied to a downstream electrical load, an electronic interruption unit and a mechanical switch being arranged in series in each of the current paths. The present invention also relates to an operating method of the switching device.

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 Sanftstartern. Direktstarter schalten eine Netzspannung direkt auf den Motor, wohingegen Sanftstarter die Möglichkeit haben, durch Phasenanschnitt die effektive 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.Switching devices for switching an energy supply to a downstream electrical load are known. For example, motor starters are used directly on the network to control and protect three-phase motors. A distinction is made between direct starters and soft starters. Direct starters switch a mains voltage directly to the motor, whereas soft starters have the option of using phase control to limit or slowly increase the effective voltage on the motor for the time it starts up, see the two graphics on page 21C-6 in: Siemens AG, Basics of low-voltage switching technology, 2008, http://www.siemens.de/lowvoltage/basisn.

In der Regel sind die heutigen Motorstarter entweder durch eine entsprechende Verschaltung von Schützen realisiert, siehe DE102008026376A1 (Siemens AG) 02.12.2009, oder als Hybrid-Starter ausgeführt, siehe DE102012214814A1 (Siemens AG) 27.02.2014, wobei mit „Hybrid“ eine Kombination aus robuster Relaistechnik und verschleißfreier Halbleitertechnologie gemeint ist. Bei beiden Ausführungen 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.As a rule, today's motor starters are either implemented using appropriate connection of contactors, see DE102008026376A1 (Siemens AG) December 2, 2009, or designed as a hybrid starter, see DE102012214814A1 (Siemens AG) February 27, 2014, whereby “hybrid” means a combination of robust relay technology and wear-free semiconductor technology. In both versions, a central control unit controls switching elements of the motor starter to assume either a current-conducting or a current-blocking state. For this purpose, the central control unit receives measured values for current, voltage or temperature from sensors that monitor current paths leading through the motor starter, from which the central control unit can determine whether acceptable operating conditions prevail in the current paths, so that electrical energy flows through the current paths and the switching elements can be conducted through to the motor, or whether there are unacceptable operating conditions such as a short circuit or a long-term overload, so that the power line through the current paths must be interrupted using the switching elements.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Schaltgerät.The object of the present invention is an improved switching device.

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.This object is achieved according to the invention by a switching device with the features specified in claim 1. According to the invention, this object is also achieved by a method with the features specified in claim 9.

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 Elektroheizung, 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 jeweils 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.The switching device has two or more current paths through which energy can be supplied to a downstream load. The switching device can e.g. B. be a motor starter, a soft starter or a contactor. The load can have an inductive behavior, e.g. B. an electric motor, a resistive behavior, e.g. B. an electric heater, or a capacitive behavior, e.g. B. have a rectifier. The current paths conduct the load current intended for the electrical load from a network-side connection device of the switching device through the switching device to a load-side connection device of the switching device. An electronic interruption unit and a mechanical switch are arranged in series in each of the current paths, i.e. H. The current to supply the load is routed via both the electronic interruption unit and the mechanical switch. Preferably, the electronic interruption unit is assigned to the network-side connection device and the mechanical switch is assigned to the load-side connection device.

Eine elektronische Unterbrechungseinheit ist ein elektronischer Schalter, der die Funktion eines elektromechanischen Schalters realisiert, der aber keine beweglichen Teile aufweist. 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 Halbleiter-basierte Schaltelemente wie Feldeffekttransistoren (FET), MOSFETs (Silizium, Galliumnitrid, Siliziumcarbit), IGBTs, Bipolartransistoren oder Dioden eingesetzt. Eine elektronische Unterbrechungseinheit weist zusätzlich zu einem Halbleiterschalter ein Schutzelement für den Halbleiterschalter auf.An electronic interruption unit is an electronic switch that implements the function of an electromechanical switch but has no moving parts. The electronic interruption unit can be switched by semiconductor-based switching elements into a high-resistance state of the switching elements to prevent current flow or a low-resistance state of the switching elements to prevent current flow in the current path; Semiconductor-based switching elements such as field effect transistors (FET), MOSFETs (silicon, gallium nitride, silicon carbite), IGBTs, bipolar transistors or diodes are used for this purpose. In addition to a semiconductor switch, an electronic interruption unit has a protective element for the semiconductor switch.

Ein mechanischer Schalter, auch als: mechanische Trennkontakteinheit bezeichnet, ist ein elektromechanischer Schalter, der durch ein Öffnen 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.A mechanical switch, also known as: mechanical isolating contact unit, is an electromechanical switch that can be switched into a current-blocking state by opening contacts to prevent current flow in the current path or into a current-conducting state by closing the contacts to prevent current flow in the current path is. The mechanical switch is a mechanical isolating contact system, in particular with isolating properties in accordance with relevant standards for low-voltage circuits (voltages of up to 1000 volts AC or up to 1500 volts DC), the contacts of the mechanical isolating contact system being connected in series to the electronic interruption unit. The mechanical switch can be designed, for example, as a relay.

Den Strombahnen ist jeweils eine dezentrale Steuereinheit zugeordnet, die dazu ausgebildet ist, die elektronische Unterbrechungseinheit anzusteuern; der Schaltzustand einer elektronische Unterbrechungseinheit (stromleitend oder stromsperrend) wird also durch die zugeordnete dezentrale Steuereinheit gesteuert.A decentralized control unit is assigned to each of the current paths and is designed to: to control the electronic interruption unit; The switching state of an electronic interruption unit (current-conducting or current-blocking) is therefore controlled by the assigned decentralized control unit.

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. The switching device according to the invention can be connected to an electrical supply line of an electrical load and used to switch and/or protect the electrical load; Therefore, the switching device according to the invention can alternatively be referred to as a switching and protection device.

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.Protecting the electrical load by the switching device serves to protect the electrical load and the supply line leading to the electrical load from impermissibly high currents. An electrical load supply line is an electrical line through which the load is supplied with electrical energy. Examples of the use of a switching device include applications as circuit breakers, contactors, relays and motor starters, i.e. H. a switching device for starting an electric motor.

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 jeweils eine elektronische Unterbrechungseinheit und ein mechanischer Schalter in Reihe angeordnet. Das Verfahren weist ein Ansteuern der elektronischen Unterbrechungseinheit einer Strombahn jeweils durch eine dezentrale Steuereinheit auf, die dieser Strombahn zugeordnet ist.The method according to the invention is used to operate a switching device with two or more current paths via which energy is supplied to a downstream load. An electronic interruption unit and a mechanical switch are arranged in series in each of the current paths. The method involves controlling the electronic interruption unit of a current path by a decentralized control unit that is assigned to this current path.

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 Übertragungsweg 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 Übertragungswege erreichbar ist, die Strom- und/oder Spannungswerte analysiert und die Schaltbefehle erzeugt werden, kann eine Schaltreaktion auf eine eintreffende Gefahr wie Kurzschluss oder Überlast signifikant schneller als bisher erfolgen.The invention is based on the knowledge that a multi-controller architecture for an electronic switching and protection device, i.e. H. A switching and protection device equipped with electronic interruption units offers advantages in short-circuit protection: Since the current and/or voltage values from which the short circuit is detected are not first sent over a long transmission path to a central control unit and the switching commands are sent from there back to the electronic interruption unit must be sent back, but in a decentralized control unit, which is physically located close to the current/voltage sensor and the electronic interruption unit and can be reached via short transmission paths, the current and / or voltage values are analyzed and the switching commands are generated, A switching reaction to an incoming danger such as a short circuit or overload can take place significantly faster than before.

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 leistungsfähige Controller eingesetzt werden.By distributing the control function across several decentralized control units, smaller and more cost-effective control units can be used than with an architecture with a single central control unit. By cleverly dividing the functions between the central control unit and the decentralized control units, less powerful controllers can be used compared to a single controller solution.

Im Fall eines Ausfalls einer dezentralen Steuereinheit übernimmt die zentrale Steuereinheit die Ansteuerung der elektronischen Unterbrechungseinheit, die der ausgefallenen dezentralen Steuereinheit zugeordnet ist. Falls die dezentrale Steuereinheit einen Ausfall eines Sensors erkennt, sendet die dezentrale Steuereinheit einen Ausschaltbefehl direkt an die zugeordnete elektronische Unterbrechungseinheit, damit der unsichere Betriebszustand 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.In the event of a failure of a decentralized control unit, the central control unit takes over the control of the electronic interruption unit that is assigned to the failed decentralized control unit. If the decentralized control unit detects a sensor failure, the decentralized control unit sends a switch-off command directly to the assigned electronic interruption unit so that the unsafe operating state is ended as quickly as possible. In addition, the decentralized control unit reports this information that there is an error in a sensor to the central control unit, which then triggers actions by the other decentralized control units.

Diese Ausführung 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)-Infrastrukturschalter eingesetzt werden.This version of a switching device with a decentralized control unit per circuit can be referred to as a “multi-controller” architecture; such an architecture is the core of the present invention. It serves as the basis for a modular structure both on the HW development side and on the FW development side (FW = firmware, HW = hardware). You can e.g. B. can be used for a 3-phase motor starter or for a (3+N) infrastructure switch.

Die Erfindung stellt ein Schaltgerät bereit, welches eine Kurzschlussfestigkeit für sehr hohe Netzanschlussleistungen bietet, einen Kurzschlussschutz auch für sehr hohe Stromanstiege bietet und flexibel ist hinsichtlich der Erweiterung von Schutz- und Messfunktionen. Insbesondere ermöglichen die dezentralen Steuereinheiten flexibel einstellbare Kurzschlusslimits für jede Phase bzw. jede Strombahn. The invention provides a switching device which offers short-circuit strength for very high network connection powers, offers short-circuit protection even for very high current increases and is flexible with regard to the expansion of protection and measuring functions. In particular, the decentralized control units enable flexibly adjustable short-circuit limits for each phase or each current path.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous refinements and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

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 kommunizieren. Ein Vorteil dabei ist, dass die zentrale Steuereinheit Informationen zu Messwerten in den Strombahnen und Schaltzuständen der elektronischen Unterbrechungseinheiten von den dezentralen Steuereinheiten erhält und auf Basis dieser Informationen gegebenenfalls zusätzliche Ein- oder Ausschaltbefehle an die dezentralen Steuereinheiten senden kann.According to a preferred embodiment of the invention, the switching device has a central control unit which is designed to communicate with the decentralized control units for coordination of the electronic interruption units and the mechanical switches in the two or more current paths. One advantage is that the central control unit provides information about measured values in the current paths and switching states that of the electronic interruption units from the decentralized control units and, based on this information, can send additional switch-on or switch-off commands to the decentralized control units if necessary.

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 Laufzeiten zum Abarbeiten von Algorithmen der Firmware unwahrscheinlich sind.According to a preferred embodiment of the invention, the central control unit is designed as a separate physical electronic component of the switching device. One advantage is that the firmware that runs in the decentralized control units can be identical and therefore different runtimes for processing firmware algorithms are unlikely.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the central control unit is integrated into at least one of the decentralized control units in the form of a firmware module. The FW block offers the full functionality of the central control unit for the coordination of the phases, i.e. H. for coordination of the electronic interruption units and the mechanical switches in the two or more current paths of the switching device. One advantage of this is that hardware is saved, namely a separate physical electronic component for a central control unit.

Die zentrale Steuereinheit wird als ein separater Controller oder als ein FW-Baustein, der auf einer der dezentralen Steuereinheiten läuft, bereitgestellt. Diese zentrale Steuereinheit 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.The central control unit is provided as a separate controller or as a FW block running on one of the decentralized control units. This central control unit then receives all information about measured variables and status in the corresponding other current paths and can then send switch-on or switch-off commands to the other decentralized control units if necessary.

Die zentrale Steuereinheit sendet Informationen, z. B. Schaltbefehle, Parametersätze, Befehle zum Aktivieren von Zusatzfunktionen, 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 jeweils 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.The central control unit sends information, e.g. B. switching commands, parameter sets, commands to activate additional functions, to the decentralized control units and receives information, e.g. B. measured values, error states, parameter sets, from the decentralized control units. The central control unit can be designed to activate the power supply to the decentralized control units. According to a preferred embodiment of the invention, the current paths are each assigned a sensor for measuring a current intensity in the current path and / or a voltage in the current path, against a reference voltage of another current path, the sensor being designed so that the measured values are sent to the The decentralized control unit assigned to the current path can be transmitted. For this purpose, the sensor can have an interface for wired or wireless transmission. One advantage is that the current operating conditions in the current paths and the status of the energy supply for a downstream load can be recorded.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the switching device has an interface for parameterizing the switching device. One advantage is that the switching device can be easily parameterized wired or wirelessly using an external parameterization device.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dezentralen Steuereinheiten direkt miteinander kommunizieren. 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.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the decentralized control units communicate directly with one another. In other words, the decentralized control units are designed to communicate with one another. For example, two digital signals (input and output) can be exchanged between two decentralized control units, i.e. H. sent and received. For example, the information about a current zero crossing in a decentralized control unit can be transmitted to one or more of the other decentralized control units. Direct communication can be done in different ways.

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 Steuerfunktionen in den dezentralen Steuereinheiten in Form des FW-Bausteins ist dieser Informationsaustausch notwendig.A first possibility is data communication via a bus system, e.g. using SPI (= Serial Peripheral Interface) or a serial interface, e.g. UART (= Universal Asynchronous Receiver Transmitter) to exchange information such as measured variables and states of the decentralized control units with one another, in the form of binary character strings without involving the central control unit. For example, when implementing the central control functions in the decentralized control units in the form of the FW module, this exchange of information is necessary.

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. Überstrom-Fehler, Überlast-Fehler, Stromnulldurchgang, dem jeweiligen Signal zugeordnet ist, kann von der zentralen Steuereinheit in einer Kodiervorschrift 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 dezentralen Steuereinheiten vermeidet Verzögerungen, die bei einem Bussystem auf Grund des Kommunikationsmediums und der Verarbeitung der Information auftreten können.In the second option, only individual digital signals with a rising edge, a falling edge and a duration of the signal level are transmitted as information carriers. With these digital signals, which are generated by the decentralized control units, information can be encoded in the rising edge, the falling edge and the duration of the signal level. What information, e.g. B. overcurrent error, overload error, current zero crossing, which is assigned to the respective signal can be determined in advance by the central control unit in a coding rule that is made available to the decentralized control units. An example here would be zero current detection in one of the decentralized control units. If a current zero crossing is detected, the level of a digital signal is changed from low to high, or high to low. This signal is detected by the other decentralized control units and actions can be triggered accordingly by the decentralized control units. The information of the zero crossing in of a decentralized control unit can be relevant for the other decentralized control units. The transmission system for transmitting digital signals via digital signal lines between the decentralized control units avoids delays that can occur in a bus system due to the communication medium and the processing of the information.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen jeweils zwei Strombahnen eine Isolationsbarriere ausgebildet. Ein Vorteil dabei ist, dass die elektrische Sicherheit verbessert ist.According to a preferred embodiment of the invention, an insulation barrier is formed between two current paths. One advantage is that electrical safety is improved.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die dezentralen Steuereinheiten jeweils 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.According to a preferred embodiment of the invention, the decentralized control units each have configurable analog modules. The analog modules can e.g. B. be comparators or operational amplifiers. These analog modules integrated into the decentralized control units can be configurable via firmware, which can reduce the complexity of externally required hardware. An advantage of this embodiment of the invention is that a high degree of flexibility is guaranteed and the manufacture and repair of the switching device is simplified.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden die dezentrale Steuereinheit, die elektronische Unterbrechungseinheit und der Sensor, die jeweils einer Strombahn zugeordnet sind, ein Schutz- und Mess-Modul. Ein solches Modul kann auch als Schutz- und Mess-Zelle (engl.: Protection and Measurement Cell) 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.

According to a preferred embodiment of the invention, the decentralized control unit, the electronic interruption unit and the sensor, each of which is assigned to a current path, form a protection and measurement module. Such a module can also be referred to as a protection and measurement cell. A module of this type can take on other functions in addition to short-circuit protection:

• Shunt-based current measurement with a very high bandwidth >500kHz: The module can have a shunt for measuring the current in the current path. This allows the switching device to detect and react to a short circuit relatively quickly.
• Measuring the mains voltage between two current paths and measuring the switch voltage across the electronic interruption unit: For this purpose, the module can have one or more voltage measuring devices for measuring voltages. This allows a short circuit to be detected. The central control unit can use the mains voltage and switch voltage to determine the voltage applied to the control unit on the load side; this information can e.g. B. can be used when restarting an electric motor.
• Providing the measured values via a communication interface of the module. For this purpose, the module can have a communication interface. The measured values can be provided to the central control unit via this communication interface.

Der Kern des Schutz- und Mess-Moduls ist die dezentrale Steuereinheit, d. h. ein Controller, der Schutz- und Zusatzfunktionen 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 Ausführen von Diagnosefunktionen, etc. Über Kommunikationsverbindungen und - schnittstellen können außerdem Messwerte bzw. Zustände von den dezentralen Steuereinheiten an die zentrale Steuereinheit übermittelt werden.The core of the protection and measurement module is the decentralized control unit, i.e. H. a controller that can implement protective and additional functions. The protection and measurement modules or the decentralized control units of a switching device are coordinated by a higher-level controller, the central control unit. Actions of a decentralized control unit can be triggered by the central control unit via communication connections and interfaces, e.g. B. switching on a power semiconductor, executing diagnostic functions, etc. Measured values or states can also be transmitted from the decentralized control units to the central control unit via communication connections and interfaces.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the method has the following steps: measuring a current intensity and/or a voltage in the current path; Sending the measured values to the decentralized control unit assigned to the current path; Sending control commands to the electronic interruption unit of a current path based on the measured values measured in the current path. One advantage is that the current operating conditions in the current paths and the status of the energy supply for a downstream load can be recorded.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the switching device has signal lines via which the decentralized control units or the protection and measuring modules can be synchronized, e.g. B. for simultaneous sampling of measured values in all protection and measurement modules. For this purpose, the switching device can have specially designed signal lines, or the synchronization signals required for synchronization are sent via the already existing communication connections between the central control unit and the decentralized control units.

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 Ausführung 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 betreffen, der z. B. in Form eines Computerprogramms auf einer dezentralen Steuereinheit läuft. Aktionen umfassen ein Schalten einer elektronischen Unterbrechungseinheit zu einem Schaltzeitpunkt 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.According to a preferred embodiment of the invention, the central control unit sends synchronization signals to the decentralized control units, whereby the decentralized control units can be synchronized. Through the synchronization signals received from the decentralized control units, the decentralized control units can synchronize their calculation steps and/or actions with one another, so that simultaneous execution of the calculation steps and/or actions is ensured. The accuracy of the synchronization of the decentralized control units can be in the range of nanoseconds. Calculation steps can be processed of an algorithm that e.g. B. runs in the form of a computer program on a decentralized control unit. Actions include switching an electronic interrupt unit at a switching time and scanning analog peripheral devices at a sampling time. A synchronization signal can be formed by a falling and/or rising edge of a digital signal.

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.According to a preferred embodiment of the invention, the method has the following steps: sending information regarding the measured values and the control commands from the decentralized control units to a central control unit of the switching device; Coordinate, through the central control unit, the electronic interruption units and the mechanical switches in the two or more circuits based on the information received. One advantage here is that the central control unit receives all information about measured variables and status in the corresponding other current paths and, if necessary, can send switch-on or switch-off commands to the other decentralized control units.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigt jeweils schematisch und nicht maßstabsgetreu

1 eine typische Schaltungsanordnung eines Schaltgeräts;
2 einen schematischen Aufbau eines bekannten Schaltgeräts;
3 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts;
4 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts;
5 ein Ablaufdiagramm einer Kurzschlussabschaltung;
6 ein Beispiel einer Kurzschlussabschaltung;
7 ein Ablaufdiagramm einer betriebsmäßigen Einschaltung;
8 ein Ablaufdiagramm eines ersten Modus einer betriebsmäßigen Einschaltung; und
9 ein Ablaufdiagramm eines anderen Modus einer betriebsmäßigen Einschaltung;
10 eine Ausgestaltung einer direkten Kommunikation über ein Bussystem; und
11 eine Ausgestaltung einer direkten Kommunikation durch digitale Signale.

The invention is explained below with the aid of the accompanying drawing. It shows each schematically and not to scale

1 a typical circuit arrangement of a switching device;
2 a schematic structure of a known switching device;
3 a schematic structure of a switching device according to the invention;
4 an embodiment of a switching device according to the invention;
5 a flowchart of a short-circuit shutdown;
6 an example of a short circuit shutdown;
7 a flowchart of an operational switch-on;
8th a flowchart of a first mode of operational activation; and
9 a flowchart of another mode of operational power-on;
10 an embodiment of direct communication via a bus system; and
11 an embodiment of direct communication through digital signals.

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 L1, 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. 1 shows a typical circuit arrangement of a switching device 1, which is arranged in a three-phase electrical supply line 51, 52, divided into a network-side supply line 51 and a load-side supply line 52, via which electrical energy from an electrical supply network 50 with three external conductors L1, L2, L3 to an electrical load 53, e.g. B. an electric motor or an electric heater. The switching device 1 has network-side connection devices 131, 231, 331 and load-side connection devices 132, 232, 332, by means of which the switching device 1 is connected to the electrical supply line 51, 52.

2 zeigt schematisch den inneren Aufbau eines herkömmlichen Schaltgeräts 1, welches in einer Schaltungsanordnung, wie in 1 dargestellt, verwendet sein kann. Das Schaltgerät 1 weist drei Strombahnen 13, 23, 33 auf, über die jeweils einer der Außenleiter L1, L2, L3 des dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 1 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraftklemmen, 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 Federkraftklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit den lastseitigen Versorgungsleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können. 2 shows schematically the internal structure of a conventional switching device 1, which is in a circuit arrangement as in 1 shown, can be used. The switching device 1 has three current paths 13, 23, 33, over which one of the outer conductors L1, L2, L3 of the three-phase supply network 50 can be routed. For this purpose, the switching device 1 has network-side connection devices 131, 231, 331, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the network-side ends of the current paths 13, 23, 33 can be electrically connected to the network-side supply lines 51 of the supply network 50. For this purpose, the switching device 1 also has load-side connection devices 132, 232, 332, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the load-side ends of the current paths 13, 23, 33 can be electrically connected to the load-side supply lines 52 of the load 53.

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.In each of the current paths 13, 23, 33, an electronic interruption unit 11, 21, 31 and a mechanical switch 12, 22, 32 are arranged in series, with an electrical current with a current direction from the network-side connection devices 131, 231, 331 to the load-side connection devices 132, 232, 332 first flows through the electronic interruption units 11, 21, 31 and then through the mechanical switches 12, 22, 32. Between the network-side connection devices 131, 231, 331 and the electronic interruption units 11, 21, 31, current and/or voltage sensors 41, 42, 43 are arranged in the current paths 13, 23, 33, which are used to measure the current I and/or the electrical voltage U in the current paths 13, 23, 33 are suitable.

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 Übertragungsmittel verstanden, sowohl Übertragungsleitungen, z. B. Kabel, als auch drahtlose Übertragungsmittel, z. B. NFC (= Near Field Communication), Bluetooth, WLAN (= Wireless Local Area Network).The switching device 1 has a central control unit 2 equipped with a processor 3, which can receive measured values from the current and / or voltage sensors 41, 42, 43 via data lines 410, 420, 430 and send switching commands via communication connections 14, 24, 34 to the electronic interruption units 11, 21, 31 and via a control line 16 to a switch acting on the mechanical switches 12, 22, 32 lock 15 can send. The measured values of the current and/or voltage sensors 41, 42, 43 can be available as analog signals or as digital data. Data lines 410, 420, 430 are understood here to mean any transmission means, including transmission lines, e.g. B. cable, as well as wireless transmission means, e.g. 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.The control unit 2 can analyze the received measured values of the current and/or voltage sensors 41, 42, 43 and, based on the analysis, determine whether the current and/or voltage values are in a usual and proper range or in an unacceptable range, e.g. B. in an overload area, a short circuit area, etc. The control unit 2 can set a current-blocking state or a current-conducting state of the electronic interruption units 11, 21, 31 and the mechanical switches 12, 22, 32 by means of appropriate switching commands. In regular operation, the control unit 2 can switch a supply of electrical energy to the load using appropriate switching commands. For example, when a current path is interrupted in regular operation, an undesirable arc between the contacts of the mechanical switch can be avoided by first switching the electronic interruption unit to block the current and only then opening the mechanical switch. If current and/or voltage values are in an unacceptable range, the switching device 1 can use appropriate switching commands to protect the load connected downstream of the switching device 1 from damage by interrupting the current paths.

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.The control unit 2 can be parameterized in a wired or wireless manner. It is also possible for one or more parameters of the control unit 2 to be adjustable via a potentiometer of the control unit 2.

3 zeigt, mit einem relativ geringen Detaillierungsgrad, den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100, welches in einer Schaltungsanordnung, wie in 1 dargestellt, verwendet sein kann. Gegenüber dem in 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 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100 somit vergleichbar mit dem Aufbau des in 2 dargestellten herkömmlichen Schaltgeräts 1; die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung ist mit einem erfindungsgemäßen Schaltgerät 100 ebenso möglich wie mit einem herkömmlichen Schaltgerät 1. 3 shows, with a relatively low level of detail, the schematic structure of a switching device 100 according to the invention, which is in a circuit arrangement as in 1 shown, can be used. Compared to the in 2 In the conventional switching device 1 shown, the switching device 100 according to the invention is characterized in that each electronic interruption unit 11, 21, 31 is assigned a decentralized control unit 111, 211, 311. In the embodiment shown, the switching device 100 has, in addition to the decentralized control units 111, 211, 311, a central control unit 200, which carries out coordination between the decentralized control units 111, 211, 311. Apart from the decentralized control units 111, 211, 311, the structure of the in 3 Switching device 100 according to the invention shown is therefore comparable to the structure of the in 2 shown conventional switching device 1; in the 1 The circuit arrangement shown is just as possible with a switching device 100 according to the invention as with a conventional switching device 1.

Das Schaltgerät 100 weist drei Strombahnen 13, 23, 33 auf, über die jeweils einer der Außenleiter L1, L2, L3 des dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 1 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraftklemmen, 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 Federkraftklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit Anschlussleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können.The switching device 100 has three current paths 13, 23, 33, over which one of the outer conductors L1, L2, L3 of the three-phase supply network 50 can be routed. For this purpose, the switching device 1 has network-side connection devices 131, 231, 331, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the network-side ends of the current paths 13, 23, 33 can be electrically connected to connecting lines 51 of the supply network 50. For this purpose, the switching device 1 also has load-side connection devices 132, 232, 332, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the load-side ends of the current paths 13, 23, 33 can be electrically connected to connecting lines 52 of the load 53.

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.In each of the current paths 13, 23, 33, an electronic interruption unit 11, 21, 31 and a mechanical switch 12, 22, 32 are arranged in series, with an electrical current with a current direction from the network-side connection devices 131, 231, 331 to the load-side connection devices 132, 232, 332 first flows through the electronic interruption unit 11, 21, 31 and then through the mechanical switches 12, 22, 32. Between the network-side connection devices 131, 231, 331 and the electronic interruption units 11, 21, 31, current and/or voltage sensors 41, 42, 43 are arranged in the current paths 13, 23, 33, which are used to measure the current I and/or the electrical voltage U in the current paths 13, 23, 33 are suitable.

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 Übertragungsmittel verstanden, sowohl Übertragungsleitungen, z. B. Kabel, Drähte, als auch drahtlose Übertragungsmittel; z. B. NFC, Bluetooth, WLAN. Bei den Schaltbefehlen kann es sich um einfache digitale Signale (mit zwei unterschiedlichen Zuständen: low - high) handeln.Each of the electronic interruption units 11, 21, 31 is assigned a decentralized control unit 111, 211, 311. These decentralized control units 111, 211, 311 receive measured values from the current and/or voltage sensors 41, 42, 43 via data lines 410, 420, 430 and send switching commands via communication connections 116, 216, 316 to the electronic interruption units 11, 21, 31. The Measured values from the current and/or voltage sensors 41, 42, 43 can be available as analog signals or as digital data. Data lines 410, 420, 430 are understood here to mean any transmission means, including transmission lines, e.g. B. Cables, wires, as well as wireless transmission means; e.g. B. NFC, Bluetooth, WLAN. The switching commands can be simple digital signals (with two different states: low - high).

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 jeweils 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 geöffnet 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.The decentralized control units 111, 211, 311 can analyze the received measured values of the current and/or voltage sensors 41, 42, 43 and, based on the analysis, determine whether the current and/or voltage values are in a usual and proper range or not acceptable range, e.g. B. in an overload area, a short circuit area, etc. The decentralized control units 111, 211, 311 can each set a current-blocking state or a current-conducting state for the electronic interruption units 11, 21, 31 using appropriate switching commands. In regular operation, the decentralized control units 111, 211, 311 can switch a supply of electrical energy to the load using appropriate switching commands. For example, when a current path is interrupted in regular operation, an undesirable arc between the contacts of the mechanical switch can be avoided by first switching the electronic interruption unit 11, 21, 31 to a current-blocking state and only then opening the mechanical switch 12, 22, 32. If current and/or voltage values are in an unacceptable range, the switching device 100 can use appropriate switching commands to protect the load connected downstream of the switching device 100 from damage by interrupting the current paths.

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.The switching device 100 also has a central control unit 200 equipped with a processor 201. The central control unit 200 is connected to the decentralized control units 111, 211, 311 via communication connections 140, 240, 340; In this way, the central control unit 200 can coordinate the control behavior of the decentralized control units 111, 211, 311 by means of control commands.

Die zentrale Steuereinheit 200 kommuniziert mit jeder 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.The central control unit 200 communicates with each decentralized control unit 111, 211, 311 separately. The communication serves, on the one hand, to transmit information and, on the other hand, to synchronize all decentralized control units 111, 211, 311, so that coordinated switching of all electronic interruption units 11, 21, 31 is possible if necessary.

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.According to an alternative embodiment, it can also be provided that the decentralized control units 111, 211, 311 communicate directly with one another. For example, two digital signals (input and output) can be exchanged between the decentralized control units 111, 211, 311, i.e. H. sent and received. For example, the information about a current zero crossing in a decentralized control unit can be transmitted to one or more of the other decentralized control units.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung, die in 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.According to a first embodiment, which is in 3 is outlined, the mechanical switches 12, 22, 32 are not controlled by the decentralized control units 111, 211, 311, but by the central control unit 200. For this purpose, the central control unit 200 sends control commands via a control line 160 to a switching lock 150 which acts on the mechanical switches 12, 22, 32.

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.According to an alternative embodiment, the mechanical switches 12, 22, 32 are controlled by the decentralized control units 111, 211, 311. In this case, the central control unit 200 sends switching commands that are intended to cause the mechanical switches 12, 22, 32 to switch Communication connections 140, 240, 340 to the decentralized control units 111, 211, 311. The decentralized control units 111, 211, 311 in turn send control commands to the switching lock 150 or directly to a switching actuator of the respective mechanical switch 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.A variant of the switching device 100 is the relocation of one or more functions of the central control unit 200 to one of the decentralized control units 111, 211, 311. For this purpose, the functions can be integrated as software components in one of the decentralized control units 111, 211, 311. The coordination function can also be decentralized, e.g. B. be integrated in one or more of the decentralized control units 111, 211, 311. The coordination function can be used as a software component, e.g. B. be designed as firmware.

Eine Parametrierung der Steuereinheit 2 kann drahtgebunden oder wireless erfolgen.The control unit 2 can be parameterized wired or wirelessly.

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 L1, L2, L3 eines dreiphasigen Versorgungsnetzes 50 geführt werden kann. Das Schaltgerät 100 weist dazu netzseitige Anschlussvorrichtungen 131, 231, 331, z. B. Schraubklemmen oder Federkraftklemmen, 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 Federkraftklemmen, auf, womit die lastseitigen Enden der Strombahnen 13, 23, 33 mit Anschlussleitungen 52 der Last 53 elektrisch verbunden werden können. 4 shows an embodiment of a switching device 100 according to the invention with a relatively high level of detail. The switching device 100 has three current paths 13, 23, 33, over which one of the outer conductors L1, L2, L3 of a three-phase supply network 50 can be routed. For this purpose, the switching device 100 has network-side connection devices 131, 231, 331, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the network-side ends of the current paths 130, 230, 330 can be electrically connected to connecting lines 51 of the supply network 50. For this purpose, the switching device 1 also has load-side connection devices 132, 232, 332, e.g. B. screw terminals or spring-loaded terminals, with which the load-side ends of the current paths 13, 23, 33 can be electrically connected to connecting lines 52 of the load 53.

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.In each of the current paths 13, 23, 33 there are a protection and measuring module 170, 270, 370 and a mechanical switch 12, 22, 32 in series arranged, with an electrical current with a current direction from the network-side connection devices 131, 231, 331 to the load-side connection devices 132, 232, 332 first through the protection and measuring modules 170, 270, 370 and then through the mechanical switches 12, 22 , 32 flows.

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 Anschlussvorrichtungen 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.The protection and measurement modules 170, 270, 370 each have a network-side connection device 123, 223, 323 and a load-side connection device 124, 224, 324, whereby the protection and measurement modules 170, 270, 370 are connected to the current paths 13 , 23, 33 are connected. The network-side connection devices 123, 223, 323 and the load-side connection devices 132, 232, 332 are each electrically connected to one another by a load current line 130, 230, 330. The protection and measuring modules 170, 270, 370 each have a current sensor 114, 214, 314 for measuring the current I in the load power lines 130, 230, 330 and an electronic interruption unit 11, 21, 31, which is in the load power lines 130 , 230, 330 are connected in series.

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 Überlastbereich, 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 Schaltbefehle die dem Schaltgerät 100 nahgeschaltete Last durch Unterbrechen der Strombahnen vor Schaden bewahren.The protection and measurement modules 170, 270, 370 each have a decentralized control unit 111, 211, 311, which is assigned to the electronic interruption unit 11, 21, 31 of the protection and measurement modules 170, 270, 370. These decentralized control units 111, 211, 311 receive measured values from the current sensors 114, 214, 314 via data lines 115, 215, 315 and send switching commands via communication connections 116, 216, 316 to the electronic interruption units 11, 21, 31. The decentralized control units 111, 211 , 311 can analyze the received measured values of the current sensors 41, 42, 43 and determine on the basis of the analysis whether the current values are in a usual and proper range or in an unacceptable range, e.g. B. in an overload area, a short circuit area, etc. The decentralized control units 111, 211, 311 can each set a current-blocking state or a current-conducting state of the electronic interruption units 11, 21, 31 using appropriate switching commands. In regular operation, the decentralized control units 111, 211, 311 can switch a supply of electrical energy to the load using appropriate switching commands. For example, when interrupting a load current line 130, 230, 330 in regular operation, an undesirable arc between the contacts of the mechanical switch can be avoided by first switching the electronic interruption unit to block the current and only then opening the mechanical switch. If current and/or voltage values are in an unacceptable range, the switching device 100 can use appropriate switching commands to protect the load connected close to the switching device 100 from damage by interrupting the current paths.

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 jeweils ein Interface 112, 212, 312 auf, welches von der zentralen Steuereinheit 200 eintreffende 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 jeweils 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 jeweils an die zentrale Steuereinheit 200 übertragen werden.The switching device 100 also has a central control unit 200 equipped with a processor 201. The central control unit 200 is connected to the protection and measurement modules 170, 270, 370 via communication connections 140, 240, 340. The protection and measurement modules 170, 270, 370 each have an interface 112, 212, 312, which receives signals arriving from the central control unit 200 and sends signals from the protection and measurement modules 170, 270, 370 to the central control unit 200 sends. For this purpose, the interfaces 112, 212, 312 are each connected to the corresponding decentralized control unit 111, 211, 311 via a communication connection 117, 217, 317. In this way, the central control unit 200 can coordinate the control behavior of the decentralized control units 111, 211, 311 by means of control commands; On the other hand, data and information that the central control unit 200 requires for its coordination tasks can be transmitted from the protection and measurement modules 170, 270, 370 to the central control unit 200.

Die zentrale Steuereinheit 200 kann außerdem über eine Steuerleitung 160 Steuerbefehle an ein die mechanischen Schalter 12, 22, 32 beaufschlagendes Schaltschloss 150 senden.The central control unit 200 can also send control commands via a control line 160 to a switching lock 150 which acts on the mechanical switches 12, 22, 32.

5 zeigt ein Ablaufdiagramm 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 Spannungsmesswerte 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 I_lim. 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 I_lim liegen. Daher wird dieser Messzyklus im Schritt 506 mit dem Resultat beendet, dass keine Aktion nötig ist und der nächste Messzyklus abgewartet wird. 5 shows a flowchart of a short-circuit shutdown in a switching device according to the invention. A first step 501 marks a state in which current flows in a current path of the plurality of current paths of a switching device according to the invention, hereinafter referred to as “the current path”. In step 502, a current sensor determines measured values of the current strength of the current flowing in the current path and sends the current measured values to the decentralized control unit assigned to it. In addition, a voltage sensor determines measured voltage values of the voltage present on the current path and also sends the measured voltage measured values to the decentralized control unit assigned to it. In step 503, the decentralized control unit receives the measured current and voltage measurements from the sensors. In step 504, the decentralized control unit compares the current measurement values with a permissible value range or a current limit value I _lim . Two different cases are now considered here: In a first case 1, the decentralized control unit determines in step 505 that the current measurement values are within a permissible value range or below the current limit value I _lim . Therefore, this measurement cycle is ended in step 506 with the result that no action is necessary and the next measurement cycle is awaited.

In einem zweiten Fall 2 stellt die Dezentrale Steuereinheit im Schritt 507 fest, dass die Strommesswerte oberhalb eines zulässigen Wertebereichs bzw. über dem Stromgrenzwert I_lim (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 Öffnung der elektronische Unterbrechungseinheiten in den anderen Strombahnen 13, 23, 33 und vorzugsweise auch der mechanischen Schalter.In a second case 2, the decentralized control unit determines in step 507 that the current measurement values are above a permissible value range or above the current limit value I _lim (trigger threshold). The decentralized control unit therefore determines that there is a short circuit. In step 508, the decentralized control unit immediately issues a switch-off command directly to the electronic interruption unit, which is connected to the current path, so that the short circuit is ended as quickly as possible. In step 509, the electronic interruption unit, triggered by the received switch-off command, changes to a current-blocking state. In step 510, the decentralized control unit reports to the central control unit the information that a short circuit has been detected in the current path and that a switch-off command has been sent to the electronic interruption unit connected to the current path. In step 511, the central control unit triggers actions of the other decentralized control units, e.g. B. a change of the electronic interruption units, which are connected to the other current paths of the switching device, into a current-blocking state. The central control unit thus coordinates the opening of the electronic interruption units in the other current paths 13, 23, 33 and preferably also the mechanical switches.

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 jedoch 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.A similar procedure can also be carried out when detecting asymmetry. With a symmetrical load, the sum of the currents in the current paths (phases) is approximately zero. When detecting asymmetry, the current strengths in all current paths are measured, summed up and compared with a threshold value band: the sum of the measured values should be in a value band of +-x amperes around the zero point. A typical value is x = 2, whereby the value can be set on the switching device (parameterization). If the sum of the measured values is within the threshold range, no action is necessary. However, if the sum of the measured values is outside the threshold value band, this is recognized as an asymmetry and a switch-off command is sent to the decentralized control units, which then cause the electronic interruption units to be switched off.

6 illustriert ein Beispiel einer Kurzschlussabschaltung in einem erfindungsgemäßen Schaltgerät. Der obere Teil des Graphen zeigt einen zeitlichen Verlauf von Stromstärke I_SW und Netzspannung U_GR, 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_SW mit einem Stromgrenzwert I_lim vergleicht. 6 illustrates an example of a short-circuit shutdown in a switching device according to the invention. The upper part of the graph shows a time course of current intensity I _SW and mains voltage U _GR , which are present in a current path of the plurality of current paths of the switching device, hereinafter referred to as “the current path”. The middle part of the graph shows a time profile of a gate signal S _G , which is present at a gate of a gate-controlled semiconductor switch of the electronic interruption unit, which is connected to the current path. The lower part of the graph shows a time course of an output signal S _c of a current comparator, which compares the current intensity I _SW present in the current path of the switching device with a current limit value I _lim .

Zu einem Zeitpunkt t0, 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 Unterbrechungseinheit, 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; je nach der Ansteuerung des Gate kann die elektronische Unterbrechungseinheit in einen stromleitenden oder in einen stromsperrenden Betriebszustand gebracht werden. Zum Zeitpunkt t0 befindet sich die elektronische Unterbrechungseinheit in einem stromleitenden Zustand, da am Gate ein Steuersignal S_G > 0 anliegt.At a time t0, at which the sinusoid of the mains voltage has a zero crossing and a voltage period begins, current flows through the current path of the switching device; This is made possible by the fact that the electronic interruption unit, which is connected to the current path, is in a current-conducting state, as is a mechanical switch connected in series with the electronic interruption unit, which is not considered further here. The electronic interruption unit has a semiconductor switch with a gate, e.g. B. a transistor or a thyristor; Depending on the control of the gate, the electronic interruption unit can be brought into a current-conducting or a current-blocking operating state. At time t0, the electronic interruption unit is in a current-conducting state since a control signal S _G > 0 is present at the gate.

Zum Zeitpunkt t1 > t0 wird in der betrachteten Strombahn (Phase) ein Kurzschluss ausgelöst. Die Stromstärke I_SW steigt daraufhin so lange an, bis zum Zeitpunkt t2 > t1 ein vorgegebener Stromgrenzwert I_lim überschritten wird. Die Überschreitung des Stromgrenzwerts I_lim wird durch einen Komparator detektiert, der fortwährend kontrolliert, ob die Stromstärke I_SW den Stromgrenzwert I_lim 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.At time t1 > t0, a short circuit is triggered in the current path (phase) under consideration. The current intensity I _SW then increases until a predetermined current limit value I _lim is exceeded at time t2 > t1. Exceeding the current limit value I _lim is detected by a comparator, which continuously checks whether the current intensity I _SW exceeds the current limit value I _lim ; At the time t2 of the exceedance, the output signal S _c of the comparator changes from a value S _c = 0 to a value 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.The decentralized control unit, which is assigned to the current path under consideration, immediately issues a switch-off command directly to the electronic interruption unit that is connected to the current path. Triggered by the switch-off command, the electronic interruption unit changes from the current-conducting state to a current-blocking state in that the gate signal S _G changes from a value S _G > 0 to a value S _G = 0. As a result, the current in the current path decays to 0 A and the short circuit disappears.

7 zeigt ein Ablaufdiagramm 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 Steuereinheiten, 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. 7 shows a flowchart of an operational switch-off in a switching device according to the invention. In step 701, the central control unit sends a switch-off command to the decentralized control units. In step 702, after After receiving the switch-off command, the decentralized control units wait until the current is approximately 0 A, with an adjustable hysteresis +-0.5 A (parameterization). In step 703, the decentralized control units give the switch-off command to the electronic interruption units.

8 zeigt ein Ablaufdiagramm 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. 8th shows a flowchart of a first mode of operational switching on in a switching device according to the invention. In the first step 801, the central control unit sends a switch-on command to the decentralized control units. In step 802, upon receipt of the power-on command, the remote control units immediately send the power-on command to the electronic interruption units.

9 zeigt ein Ablaufdiagramm 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. 9 shows a flowchart of an alternative mode of operational switching on in a switching device according to the invention. In the first step 811, the central control unit sends a voltage phase angle at which switching on is to occur to the decentralized control units. In step 812, the decentralized control unit evaluates the input voltage present at the input connections of the switching device and issues the switch-on command to the electronic interruption units when the voltage phase angle is reached.

10 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100. Das Schaltgerät weist alle Merkmale wie das in 4 gezeigte Schaltgerät auf - die mechanischen Schalter 12, 22, 32 werden zur Vereinfachung der Darstellung in 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 jeweils 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. 10 shows a further embodiment of a switching device 100 according to the invention. The switching device has all the features as in 4 switching device shown - the mechanical switches 12, 22, 32 are shown in order to simplify the illustration 10 not shown - but also has a bus-based communication system (bus system for short) with a bus line 5 between the protection and measuring modules 170, 270, 370, each of which has a decentralized control unit 111, 211, 311. Data communication via the bus system, e.g. B. using SPI or a serial interface such as. B. UART, is used to exchange information such as measured variables and states of the decentralized control units 111, 211, 311 with each other, in the form of binary character strings, without involving the central control unit 200. For example, when implementing the central control functions in the decentralized control units 111, 211, 311 in the form of the FW module, this exchange of information is necessary.

11 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Schaltgeräts 100. Das Schaltgerät weist alle Merkmale wie das in 4 gezeigte Schaltgerät auf - die mechanischen Schalter 12, 22, 32 werden zur Vereinfachung der Darstellung in 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 jeweils 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. 11 shows a further embodiment of a switching device 100 according to the invention. The switching device has all the features as in 4 switching device shown - the mechanical switches 12, 22, 32 are shown in order to simplify the illustration 11 not shown - but also has a transmission system for transmitting digital signals via digital signal lines 6, 7, 8 between the protection and measuring modules 170, 270, 370, each of which has a decentralized control unit 111, 211, 311. A first digital signal line 6 is used for signal transmission from the decentralized control unit 111 of the first protection and measurement module 170 to the decentralized control units 211, 311 of the second and third protection and measurement modules 270, 370. A second digital signal line 7 is used for one Signal transmission from the decentralized control unit 211 of the second protection and measurement module 270 to the decentralized control units 111, 311 of the first and third protection and measurement modules 170, 370. A third digital signal line 8 is used for signal transmission from the decentralized control unit 311 of the third protection and measurement module to the decentralized control units 111, 211 of the first and second protection and measurement modules 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 jeweiligen Signal zugeordnet ist, kann von der zentralen Steuereinheit 200 in einer Kodiervorschrift 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 eines 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 Nulldurchgangs 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 Verzögerungen, die bei einem Bussystem auf Grund des Kommunikationsmediums und der Verarbeitung der Information auftreten können.Only individual digital signals with a rising edge, a falling edge and a duration of the signal level are transmitted as information carriers via the digital signal lines 6, 7, 8. With these digital signals, which are generated by the decentralized control units 111, 211, 311, information can be encoded in the rising edge, the falling edge and the duration of the signal level. What information, e.g. B. overcurrent error, overload error, zero current crossing, which is assigned to the respective signal can be determined in advance by the central control unit 200 in a coding rule which is made available to the decentralized control units 111, 211, 311. An example here would be zero current detection in one of the decentralized control units 111, 211, 311. If a current zero crossing is detected by one of the decentralized control units 111, 211, 311, then the detecting decentralized control unit 111, 211, 311 changes the level of a digital signal from low to high or from high to low. This signal level change is detected by the other decentralized control units 111, 211, 311 and actions can be triggered accordingly by the decentralized control units 111, 211, 311. The information about the zero crossing by a decentralized control unit 111, 211, 311 can be relevant for the other decentralized control units 111, 211, 311. The transmission system for transmitting digital signals via digital signal lines 6, 7, 8 between the decentralized control units 111, 211, 311 avoids delays that can occur in a bus system due to the communication medium and the processing of the information.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008026376 A1 [0003]
DE 102012214814 A1 [0003]

Claims

Switching device (100) with two or more current paths (13, 23, 33), via which energy can be supplied to a downstream load (53), with an electronic interruption unit (11) and in each of the current paths (13, 23, 33). a mechanical switch (12) are arranged in series, characterized in that the current paths (13, 23, 33) are each assigned a decentralized control unit (111, 211, 311), which is designed to control the electronic interruption unit (11, 21 , 31).

Switching device (1). Claim 1 , having a central control unit (200) which is designed to coordinate the electronic interruption units (11, 21, 31) and the mechanical switches (12, 22, 32) in the two or more current paths (13, 23, 33 ) to communicate with the decentralized control units (111, 211, 311).

Switching device (1). Claim 2 , wherein the central control unit (200) is designed as a separate physical electronic component of the switching device (100) or is integrated in the form of a firmware module in at least one of the decentralized control units (111, 211, 311).

Switching device (100) according to one of the preceding claims, wherein the current paths (13, 23, 33) each have a sensor (41, 42, 43) for measuring a current intensity in the current path (13, 23, 33) and / or a voltage in the current path (13, 23, 33) is assigned to another current path (13, 23, 33) against a reference voltage, the sensor being designed so that the measured values are sent to the decentralized control unit (13, 23, 33) assigned to the current path (13, 23, 33). 111, 211, 311) can be transferred.

Switching device (100) according to one of the preceding claims, wherein the decentralized control units (111, 211, 311) are designed to communicate directly with one another.

Switching device (100) according to one of the preceding claims, wherein the decentralized control units (111, 211, 311) each have configurable analog modules.

Switching device (100). Claim 4 , wherein the decentralized control unit (111, 211, 311), the electronic interruption unit (11, 21, 31) and the sensor (41, 42, 43), each of which is assigned to a current path (13, 23, 33), are a module (170, 270, 370).

Switching device (1) according to one of the Claims 2 until 7 , wherein the central control unit (200) is designed to provide synchronization signals for the decentralized control units (111, 211, 311).

Method for operating a switching device (100) with two or more current paths (13, 23, 33), via which energy is supplied to a downstream load (53), with an electronic interruption unit ( 11) and a mechanical switch (12) are arranged in series, characterized by the following step: controlling the electronic interruption unit (12) of a current path (13, 23, 33) each by a decentralized control unit (111, 211, 311), which this Current path (13, 23, 33) is assigned.

Procedure according to Claim 9 , wherein the central control unit (200) sends synchronization signals to the decentralized control units (111, 211, 311), through which the decentralized control units (111, 211, 311) can be synchronized.

Procedure according to one of the Claims 9 or 10 , with the following steps: measuring a current intensity and / or a voltage in the current path (13, 23, 33); Sending the measured values to the decentralized control unit (111, 211, 311) assigned to the current path (13, 23, 33); Sending control commands to the electronic interruption unit (11, 21, 31) of a current path (13, 23, 33) based on the measured values measured in the current path.

Procedure according to one of the Claims 9 until 10 , sending information regarding the measured values and the control commands from the decentralized control units (111, 211, 311) to a central control unit (200) of the switching device (100); Coordinate, by the central control unit (200), the electronic interruption units (11, 21, 31) and the mechanical switches (12, 22, 32) in the two or more current paths (13, 23, 33), based on the information received .