DE69124740T2

DE69124740T2 - Monolithisches stromgesteuertes unterbrechungssystem

Info

Publication number: DE69124740T2
Application number: DE69124740T
Authority: DE
Inventors: George H. Mount Prospect Il 60056 Studtmann; Donald H. Glen Ellyn Il 60137 Ward
Original assignee: Square D Co
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 1990-11-29
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2011-11-28
Also published as: EP0513346A1; AU650830B2; JPH05506120A; AU9177291A; EP0513346A4; DE69124740D1; CA2074167C; IE914123A1; MX9102319A; EP0513346B1; JP2866737B2; CA2074167A1; WO1992009943A1; US5216352A

Description

Technisches Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schaltkreisunterbrecher und insbesondere Halbleiter-Schaltkreisunterbrechersysteme.

Stand der Technik

Ein üblicher Halbleiterunterbrecher, wie er beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, hat einen geeigneten Halbleiterschalter 10, der einen Strompfad zwischen einer Quelle 11 und einer Last 12 unter der Steuerung von Schließ- und Unterbrechungssignalen (an Leitungen 13) unterbricht, die an einen elektronischen Logikschaltung 14 angelegt werden. Die Schließ- und Unterbrechungssignale können von Hand oder von einer externen Steuerquelle angelegt werden. Ein Stromsensor 16 liefert ein oder mehrere Signale an den elektronische Steuerschatung 14, der die Information verarbeitet und den Schalter 10 veranlaßt, zu öffnen, sollte eine Überlast oder ein Kurzschlußzustand ermittelt werden. Ein Stoßspannungsunterdrücker 18 ist über den Schalter geschaltet, um ankommende Leitungseinschaltstöße oder in der Last gespeicherte Energie und/oder Leitungsiduktivitäten (durch die Spule 15 wiedergegeben) zu absorbieren, wenn der Schalter offen ist.
Bei einem üblichen Halbleiterunterbrechungssystem steigt, wenn der Schalter einen Schaltkreisstrom unterbricht, der Strom im Strompfad schnell an und bewirkt, daß der Strom zum Einschwingabsorber übertragen wird, der die in der Leitung und/oder der Last gespeicherte Energie absorbiert. Verwendet man z.B. den Aufbau der Fig. 1 mit einer 22000 AlC 240 V 3-Phasenleitung, erreicht der Strom einen Pegel von 280 A in etwa 23 ms. Zu diesem Zeitpunkt muß der Schalter öffnen und den Strom unterbrechen. Der Strom wird dann auf den Einschwingabsorber übertragen, der die in der Leitung und/oder Last gespeicherte Energie absorbiert. Der Schalter muß sehr schnell wirken, da sonst der Strom auf einen sehr hohen Pegel ansteigt und der Schalter ausfällt. Wegen der notwendigen schnellen Ansprechzeit ist der Schalter leider für eine Fehlauslösung beim Vorhandensein eines Störsignals oder anderer Arten nachteiliger Leitungszustände sehr anfällig.
Die Anforderungen an eine hohe Überlast, die der Schaltkreisunterbrecher tolerieren muß, sind ein wesentliches Problem für einen Halbleiterunterbrecher. Obwohl die meisten öblichen Schaltkreisunterbrecher langdauernde Überlasten wie Motoren ohne Auslösen tolerieren, haben Halbleitervorrichtungen eine minimale thermische Masse und können daher große Überlasten wie solche, die Motoren darstellen, nicht handhaben. Ein allgemein üblicher Schaltkreisunterbrecher kann z.B. eine Überlast gleich dem 35-fachen Nennpegel während 0,15 s tolerieren. Wenn Überlasten dieser Größe von einem Halbleiterschalter ausgehalten werden sollen, muß der Schalter wesentlich überdimensioniert sein.
Ein weiteres Problem bekannter Halbleiterschaltkreisunterbrecher betrifft die Größe des Überlaststromes, den der Unterbrecher "durchläßt". Dieser "Durchlaß"-Strom hängt mehr vom Aufbau des Halbleiterschalters als von den Laststromanforderungen ab. Es ist daher wichtig, die Halbleiterunterbrechersysteme so zu konstruieren, daß der zu erwartende ungünstigste Lastzustand gehandhabt werden kann, staft nur die Dauerleistungseigenschaft des Unterbrechers zu verdoppeln.
Unterschiedliche Überlasten, die von Halbleiterunterbrechersystemen antizipiert werden können, können in zwei Arten unterteilt werden. Die erste Art ist eine langdauernde Überlast, die von Geräten wie Motoren verursacht werden können. Die zweite Art, eine kurzzeitige Überlast, wird als eine schnell ansteigende Überlast definiert, die von Geräten wie Transformatoren, Kondensatoren, Glühbirnen etc. verursacht werden, wenn sie am Beginn erregt werden. Obwohl der erste Überlasttyp ausgehalten werden muß, um einen Motor zu starten, sind kurzzeitig schnell ansteigende Überlasten unerwünschte Einschaltstöße, da sie die Last selbst beschädigen.
Außerdem ist es theoretisch unmöglich, zwischen einer schnell ansteigenden Stromüberlast, die durch einen tatsächlichen Kurzschluß verursacht wird, und der, die durch den Einschaltstromstoß z.B. beim Anschließen eines ungeladenen Kondensators an das Netz verursacht wird, zu unterscheiden. Wenn der Schalter den Strom in z.B. 23 ms bei 280 A unterbrechen soll, kann er einen Kurzschlußkreis geeignet unterbrechen oder verhindern, daß ein Kondensator fehlerhafterweise vollgeladen wird. In jedem Falle sind die bekannten Schalter so aufgebaut, daß sie den Strom beim 280 A Pegel unterbrechen, da sie nicht zwischen den beiden Überlasttypen unterscheiden können.
Es besteht daher die Notwendigkeit, für eine Halbleiterunterbrecheranordnung und eine Technik, die die obigen bekannten Nachteile überwindet.
US-A-4 392 103 offenbart eine Halbleiterunterbrecheranordnung, bei der ein Nebenschlußtransistor verwendet wird, um den Strompfad zu einer Last umzuleiten.

Zusammenfassung der Erfindung

Gem. der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleiter-Unterbrecheranordnung zum Unterbrechen eines Wechselstromes mit Halbperioden in einem Strompfad zwischen einer Quelle und einer Last geschaffen, umfassend:
einen Haibleiterschalter, der als integraler Teil des Strompfades angeordnet und so ausgebildet ist, daß er den Strompfad in Abhängigkeit von einem Unterbrechungssignal unterbricht; einen Sensorkreis, der so ausgebildet ist, daß er den Strom im Strompfad abtastet; einen Energieabsorber, der mit dem Strompfad verbunden ist, um Energie aus dem Strompfad in Abhängigkeit vom Halbleiterschalter zu absorbieren, der den Strompfad unterbricht und ein induziertes Stromsignal erzeugt, und einen Steuerkreis, der auf den Sensorkreis anspricht, die sich dadurch auszeichnet, daß der Steuerkreis das Unterbrechungssignal an den Nuldurchgängen der Halbperioden periodisch erzeugt, um den Strompfad während vorgeschriebener Intervalle zu unterbrechen, so daß der der Last zugeführte Strom zwischen einem maximalen Strompegel und einem minimalen Strompegel gesteuert wird; und daß der Steuerkreis eine Einrichtung zur Integration des Quadrates des induzierten Stromsignals aufweist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines üblichen Halbleiterunterbrecherkreises ist;
Fig. 2 mehrere Zeitdiagramme sind, die für die Arbeitsweise des üblichen Halbleiterunterbrecherkreises der Fig. 1 charakteristisch sind;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines stromgesteuerten Halbleiterunterbrecherkreises gem. der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 4a ein Zeitdiagramm gem. der vorliegenden Erfindung ist, das die Art erläutert, in der die vorliegende Erfindung in der Lage ist, Leitungsfehler wie Kurzschlüsse und schnelle Stoßüberlastungen zu handhaben;
Fig. 4 ein weiteres Zeitdiagramm ebenfalls gem. der vorliegenden Erfindung ist, das eine alternative Art erläutert, in der die vorliegende Erfindung Leitungsfehler handhaben kann;
Fig. 5 ein Schaltbild eines Steuerkreises gem. der vorliegenden Erfindung ist, der zur Implementierung des Steuerkreises 20 der Fig. 3 verwendet werden kann; und
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Steuerkreises gem. der vorliegenden Erfindung zur Erläuterung der Anwendung eines Energieverteilungs-Dreiphasensystems ist.
Obwohl zahlreiche Modifikationen und alternative Formen der Erfindung möglich sind, wurden beispielsweise Ausführungsformen beispielsweise in den Zeichnungen gezeigt und werden nachstehend detailliert beschrieben. Selbstverständlich ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die speziellen, offenbarten Formen zu beschränken. Vielmehr soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen erfassen, die in den Bereich der Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Gem. der vorliegenden Erfindung zeigt Fig. 3 einen Halbleiterunterbrecher in Blockschaltform mit einem geeigneten Halbleiterschalter 10, der so angeordnet ist, daß er einen Strompfad (Gleichstrom oder Wechselstrom) zwischen einer Quelle 11 und einer Last 12 unterbrechen kann. Wie in Fig. 1 ist die Leitungsinduktivität im Strompfad durch eine diskrete Spule 15 gezeigt, ein Stromsensor (oder Stromwandler) 16 induziert Strom vom Strompfad, und ein Stoßspannungsunterdrücker ("Absorber") 18 wie ein Metalloxydvaristor ist über den Schalter 10 geschaltet, um ankommende Leitungsstöße oder Energie, die in der Last und/oder Leitungsinduktivitäten gespeichert ist, wenn der Schalter offen ist, zu absorbieren.
Ein wichtiger Teil der in Fig. 3 gezeigten Anordnung umfaßt einen neuartigen Steuerkreis 20, der auf den Sensorkreis 16 durch eine genaue und zuverlässige Energiesteuerung des Schalters 10 und der Last 12 anspricht. Der Steuerkreis 20 spricht auf den Sensorkreis 16 durch periodisches Befehlen des Schalters 10 an, um den Strompfad für vorbestimmte Perioden derart zu unterbrechen, daß der der Last zugeführte Strom zwischen vorgeschriebenen maximalen und minimalen Strompegeln gesteuert wird.
Diese Arbeitsweise wird dadurch erreicht, daß zwei Zweige innerhalb des Steuerkreises 20 verwendet werden. Die beiden Zweige unterscheiden sich darin, daß der erste Zweig einen Langzeitsteuerkreis 20a aufweist, der den Schalter 10 für Langzeitüberlastungen steuert, während der zweite Kreis ein Kurzzeitsteuerkreis 20b aufweist, um den Schalter zu betätigen, wenn Überlasten einen vorbestimmten Wert überschritten haben. Sowohl der Langzeitsteuerkreis 20a als auch der Kurzzeitsteuerkreis 20b empfangen ihr Eingangssignal über einen Signalformierkreis 22 und liefern jeweilige Ausgangssignale an einen Logikkreis 23 und einen Treiberkreis 24, von denen letzterer den Schalter 10 steuert.
Insbesondere wenn der erfaßte Strom niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, z.B. der 8-fachen Nennstrom, steuert der Langzeitsteuerkreis 20a den Halbleiterschalter 10 derart, daß der Strompfad für eine Zeit geschlossen wird, die vom Ausmaß der Überlast abhängt. Z. B. entsprechend den üblichen Schaltkreisunterbrechercharakteristika schaltet der Langzeitsteuerkreis 20a den Schalter 10 aus, um den Strompfad nach 60 s einer erfaßten Überlast zu unterbrechen, die das 2-fache des Nennstroms ist, nach 10 s einer erfaßten Überlast, die das 4-fache des Nennstroms ist, und nach 3 5 einer erfaßten Überlast, die das 8-fache des Nennstroms ist, etc. Diese Zahlen schwanken selbstverständlich mit der speziellen Unterbrecherkonstruktion.
Wenn der erfaßte Strom den vorbestimmten Wert über schreitet, dann verwendet der Logikkreis 23 das Ausgangssignal, das vom Kurzzeitsteuerkreis 20b erzeugt wird, um den Treiber 24 und den Schalter 10 zu steuern. Der Kurzzeitsteuerkreis 20b spricht auf den Sensor 16 durch Befehlen des Schalters 10 zum periodischen Öffnen und Schließen an, so daß der der Last zugeführte Strom zwischen vorbestimmten Maximal- und Minimalstrompegeln gesteuert wird. Auf diese Weise stellt der Schalter keine Beanspruchungen durch Strompegel über dem maximalen Strompegel fest. In gleicher Weise wird die Last 12 erreichender Strom auch auf den maximalen Strompegel begrenzt.
Der Halbleiterschatter 10 der Fig. 3 sollte so gewählt werden, daß Überlasten von der Nennlast aus zu einer Überlast gleich dem X-fachen der Nennlast für Y s (z.B. dem 8- fachen für 3 s) entsprechend einer üblichen Schaltkreisunterbrecher-Strom/Zeitkurve gehandhabt werden können. Der Langzeitsteuerkreis 20a kann in einer von verschiedenen üblichen Arten implementiert werden. Z.B. kann das geformte Stromsignal, das von dem Signalformer gleliefert wird, quadriert und dann auf einen Verzögerungskreis mit einer eigenen Zeitkonstante gegeben werden. Das Ausgangssignal des Verzögerungskreises kann dann mit einem Bezugsmaß derart verglichen werden, daß, wenn das Bezugsmaß überschriften wird, der Schalter beim Nulldurchgang des Stromes der nächsten Halbperiode geöffnet wird. Durch richtige Wahl der Zeitkonstante und des Bezugspegels kann die gewüschte Zeit/Stromchrakteristik erhalten werden.
Der Langzeitsteuerschalter 20a kann auch durch Verwendung eines Mikrocomputers implementiert werden, der das Quadrat des den Schalter 10 durchlaufenden Stromes bzgl. der Zeit für jede Haltperiode als Maß der Überlast integriert. Bei dieser Ausführungsform wird ein laufender Mittelwert der integrierten Werte vom Mikrocomputer berechnet, wobei, wenn der neueste Wert addiert wird, der früheste Wert aus der Berechnung entfernt wird. Der Miftelwert wird über ausreichend viele Halbperioden berechnet, um die erforderliche Zeit/Stromcharakteristik zu erhalten. Wenn der berechnete Miftewert von I² schließlich das vorbestimmte Maximum überschreitet, dann wird der Schalter beim Nulldurchgang des Stroms der nächsten Halbperiode geöffnet.
Alternativ können andere Algorithmen (als der der Integration des Quadrats des Stroms) verwendet werden, um einfachere, jedoch vermutlich weniger vorteilhafte Systeme zu implementieren. Z. B. kann der Langzeitzweig des Steuerkreises 20 den Strom integrieren, staft das Quadrat des Stroms zu bilden, oder den Spitzenstrom zu kontrollieren und den Unterbrecher abzuschalten, wenn eine Folge von Spitzen länger als eine bestimmte Zeit dauert.
Durch Unterbrechen von Überlasten im Strompfad beim Nulldurchgang des Stromes ist die in der Leitung und der Last gespeicherte Energie vernachlässigbar, und die Schwierigkeit, große Lastenergiemengen zu vernichten, wird beseitigt. Wenn man eine Motorlast z.B. zum Zeitpunkt der Unterbrechung startet, ist die in der Last gespeicherte Energie sehr beträchtlich und überschreitet die Leitungsinduktivitätsenergie weit.
In Fig. 4a erläutert eine Strom/Zeitkurve die Art, in der Kurzschluß- und sehr schnelle Stoßüberlastungen durch den Kurzzeitsteuerkreis 20b gehandhabt werden. Wenn ein Kurzschluß über der Last 12 der Fig. 3 auftritt, wird der schnelle Anstieg des Stromes nur durch die Leitungsimpedanz und die Impedanz des Kurzschlusses begrenzt. Wenn ein voreingestellter Maximalstrom ("Imax") erreicht ist, wird der Schalter 10 durch den Kurzschlußsteuerkreis 20b abgeschaltet, und der Strom nimmt ab, bis er einen unteren Grenzwert ("Imin") erreicht, zu welchem Zeitpunkt der Schalter wieder eingeschaltet wird. Der Strom wird daher veranlaßt, zwischen den beiden voreingestellten Grenzwerten Imax und Imin zu zirkulieren, solange der Kurzschluß auftritt.
In ähnlicher Weise steigt, wenn ein ungeladener Kondensator plötzlich an die Last angeschlossen wird der Strom schnell an und, wenn er Imax erreicht, schaltet der Schalter 10 aus, damit der Strom abnehmen kann. Sobald der Schalter 10 wieder einschaltet, steigt der Strom wieder an, bis er Imax erreicht. Dieser Zyklusprozeß dauert an, bis der Kondensator auf die Leitungsspannung geladen ist, worauf der Strom sich unter Imax stabilisiert, und der Schalter wieder eingeschaltet bleibt.
Wie im Stand der Technik bekannt ist, kann ein hoher Einschaltstrom auftreten, wenn magnetische Komponenten zuerst erregt werden. Wenn z.B. ein Transformator oder ein Induktor mit einem Magnetkern durch den Schalter 10 zuerst erregt wird, kann ein hoher Einschaltstoß in Abhängigkeit vom Zeitpunkt im Zyklus und dem Sättigungspegel des Kerns auftreten. Wiederum wird der Strom veranlaßt, zu zirkulieren, bis die elektromagnetischen Elemente ungesättigt sind, und der Strom sich auf einen zulässigen Wert einstellt.
Im Falle eines ungewollten Störimpulses oder Stromstoßes kann der Schalter ausgeschaltet werden, und es ergibt sich ein Zyklus zwischen den Stromgrenzen, bis der Stromstoß oder der Störimpuls nicht mehr vorhanden ist. In Abhängigkeit von der Zeitdauer, die das Störsignal vorhanden ist, wird die Last nicht merklich gestört.
Um zwischen tatsächlichen Kurzschlüssen und momentanen Überlasten, wie sie durch Kondensatoren oder Transformatoren verursacht werden, die auf die Leitung geschaltet werden, zu unterscheiden, wird ein Zeitgeber verwendet. Der Zeitgeber wird am Beginn des Strombegrenzungszyklus (wenn der Strom zuerst Imax erreicht) ausgelöst: Die Zeitperiode ist derart, daß sich die Kondensatoren aufladen und die Transformatoren aus der Sättigung herauskommen können. Wenn am Ende der Zeitperiode der Strom nicht auf einen normalen bzw. akzeptablen Wert abgenommen hat, dann wird der Einschaltstoß als Folge eines Kurzschlusses angenommen, und der Steuerkreis 20 schaltet den Schalter 10 ab und sperrt ihn.
Zyklusvorgang des Schalters 10 ist vor allem zum Schutz gegen Lichtbogenfehler vorteilhaft. Lichtbogenfehler haben die Tendenz, schnell ansteigende Ströme hohen Pegels auf wiederholter Basis zu erzeugen, was den Schalter periodisch betätigt. Der Zeitsteuervorgang berücksichtigt diese Situation, indem er dem Schalter befiehlt, auszuschalten und ausgeschaltet zu bleiben, sobald eine bestimmte Zeitperiode oder eine Anzahl von Perioden bei Auftreten dieses Zustandes ermittelt wird.
Das wiederholte Schalten des Schalters 10 bewirkt, daß die Energie in den bzw. in die Absorber 18 für induktive Energie abgeleitet wird. Diese Energiereaktion kann unter Bezugnahme auf die Signalverläufe der Fig. 2 erkannt werden, in denen der Strom am Schalter 10 (Verlauf B) als in den Absorber 18 (Verlauf A) abgeführt gezeigt ist. Um diese Energieableitung zu verringern, kann eine Methode angewandt werden, bei der der Strompegel in aufeinanderfolgenden Perioden auf einen niedrigeren Wert als Imax begrenzt wird, bei dem der Schalter am Anfang beim Einschalten auslösen würde. Dies verringert den mittleren Strompegel und führt zu weniger Energieverbrauch im Schalter 10, im Absorber 18 und der Last 12.
Ein diese Betriebsart darstellender Verlauf ist in Fig. 4b gezeigt, wo der Anfangsauslösepegel als 14 dargestellt ist. Der Pegel I1 der Fig. B stellt den Nennstrompegel dar. Der Pegel 14 der Fig. 4b entspricht dem Pegel Imax der Fig. 4a, und 13 und 12 sind kleinere Werte, zwischen denen der Strom periodisch hin- und hergeht, sobald ein Anfangsspitzenwert von 14 erreicht ist.
Die in Fig. 4a und 4b dargestellten Strompegel sollten durch Betrachtung der ungünstigsten Lasten am Schalter bestimmt werden. Auch die Zeitdauer, die der Schalter periodisch arbeitet (Tcycle in Fig. 4a) sollte durch die ungünstigste Konstruktion bestimmt werden, bei der die verschiedenen Lasten und die Energieabsorptionsfähigkeit der Induktivitätsenergieabsorber betrachtet wird.
Der Steuerkreis 20 der Fig. 3 kann durch Programmieren eines Mikrocomputers wie eines ICs vom Typ MC68HC11 implementiert werden, der von Motorola Inc. erhältlich ist, um zu bestimmen, ob ein Nulldurchgang auftritt, das Quadrat des Stromes zu berechnen, I² über jede Halbperiode zu integrieren, den laufenden Mittelwert zu berechnen, und den Mittelwert mit einem Bezugswert zu vergleichen. Außerdem ist die Verwendung eines Mikrocomputers insofern von Vorteil, als Änderungen der Ansprechzeit, des Einstellpunktes etc. leicht durchgeführt werden können. Alternativ kann jedoch der Steuerkreis 20 unter Verwendung von diskreten analogen und digitalen Komponenten implementiert werden. Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung diskreter Komponenten, die unter Verwendung gemeinsamer Bezugssymbole für die selben Komponentenwerte bestimmt sind. Der Steuerkreis 20 der Fig. 5 empfängt ein Eingangssignal am Signalformierkreis 22 vom Stromsensor 16 (Fig. 3) und erzeugt ein Befehlssignal über einen Transistor 24a, der unter Verwendung eines üblichen PNP-Transistors vom Typ 2N3906 mit einem 620 Ohm Vorwiderstand 24b und einem üblichen Treiberkreis 24c, der für den verwendeten Typ des Halbleiterschalters 10 geeignet ist, implementiert werden kann.
Der Signalformierkreis 22 hat ein Paar in üblicher Weise angeordneter Funktionsverstärker 22a und 22b mit zugehörigen Widerständen R1, R2, R3 und einem, Widerstand R4 und einem Kondensator c1, die sehr schnelle Störsignalspitzen ausfiltern, die im Eingangssignal vorhanden sein können. Die Widerstände R1, R2, R3 mit den jeweiligen Werten 10k, 4,99k und 1 k Ohm, den Kondensator C1 mit einem Wert von o,oo1 mFarad und den Funktionsverstärkern 22a und 22b mit einem TL 072CP (IC), der von Texas Instruments Inc. erhältlich ist, implementiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Langzeitkreises 20a der Fig. 3 ist im Blockschaltbild gezeigt und enthält einen Quadraturkreis 20a1, der das vollweggleichgerichtete Stromsignal des Signalformierkreises 22 aufnimmt und ein Ausgangssignal proportional dem Quadrat des ermittelten Stroms erzeugt. Bei der gezeigten Implementierung wird das Signal 12 zu einem Verzögerungskreis 20a2 geleitet, dessen Ausgangssignal wiederum zu einem Komparator 20a3 zum Verleich mit einer Bezugsspannung geleitet wird, die einen Wert 12 etwas größer als der kontinuierliche Nennwert des Schaltkreisunterbrechers darstellt. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann durch geeignete Wahl der Verzögerungskreisverstärkung und - zeitkonstante und des Komparatorbezugspegels die gewünschte Zeit/Strom-Charakteristik erhalten werden. Bei Anwendungsfällen betreffend die Unterbrechung des Wechselstromes (in Abhängigkeit von einer Gleitstrombeaufschlagung, für die die vorliegende Erfindung ebenfalls angewandt werden kann), wird das Ausgangssignal des Komparators 20a3 von einem Nulldurchgangsdetektorkreis 20a4 empfangen, der ein hohes Signal liefert, wenn: (1) das Ausgangssignal des Verzögerungskreises 20a2 die I²-Bezugsspannung überschreitet, und (2) das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 22a das Vorhandensein eines Nulldurchgangs im AC-Signal anzeigt. Ein Oderglied 21 wird dazu verwendet, den Lang- oder Kurzzeitsteuerkreisen 20a und 20b zu ermöglichen, den Schalter 10 auszuschalten.
Der übrige Teil des Steuerkreises 20 spricht auf vier Komparatoren 26 - 29 an, die unter Verwendung eines ICs vom Typ LM339N implementiert werden können. Jeder Komparatorvergleich bedingt die Eingangssignale zu einer zugehörigen Bezugsspannung, die unter Verwendung eines üblichen Spannungstreiberkreises REF I1, REF 14, REF 13 oder REF 12 erzeugt wird. Der Bezugswert 14 entspricht dem Pegel Imax der Fig. 4a und 4b, was der Strompegel ist, bei dem der Kurzzeitsteuerkreis 20b aktiviert wird. Dies ist normalerweise ein Wert vom 8- bis 10-fachen des kontinuierlichen Schaltkreisunterbrecher-Stromnennwertes. Wenn dieser Strom erreicht ist, geht das Ausgangssignal des Komparators 27 hoch und setzt das SR-Flip-Flop 42. Ein Flip-Flop 50 wird ebenfalls vom Komparator 28 gesetzt, da der Bezugswert 13 auf einem niedrigeren Pegel als der Bezugswert 14 ist. Wenn beide Flip-Flops 42 und 50 gesetzt sind, ist das Ausgangssignal eines NAND-Glieds 44 niedrig, was zu einem hohen Eingangssignal eines ODER-Glieds 48 über eine NAND-Glied 46 führt, das den Transistor 24 und den Halbleiterschalter 10 sperrt.
Wenn der Halbleiterschalter 10 gesperrt ist, beginnt der Strom auf Null abzunehmen. Wenn der Strom einen Wert entsprechend REF I2 erreicht, ändert der Komparator 29 den Zustand und setzt das Flip-Flop 50 zurück. Dieses erzeugt dann einen logischen L- Zustand am Ausgang des NAND-Glieds 44, was zu einem L-Zustand am anderen Eingang des ODER-Glieds 48 führt, so daß der Transistor 24 und dadurch der Halbleiterschalter 10 eingeschaltet wird.
Der Strom nimmt wieder zu, und wenn er einen Wert entsprechend REF I3 erreicht, wird das Flip-Flop 50 wieder gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt geht, da das Flip-Flop 42 bereits gesetzt ist, das Ausgangssignal des NAND-Glieds 44 wieder auf den logischen L-Zustand, so daß der Transistor 24 und der Halbleiterschalter 10 gesperrt werden. Somit wechselt der Strom periodisch zwischen den Werten 12 und 13, wie in Fig. 4b gezeigt ist.
Um die Zeitdauer zu begrenzen, während der solch ein Stromzerhackervorgang auftreten kann, und um zwischen echten Kurzschlüssen und momentanen hohen Stromstößen zu unterscheiden, ist ein Zeitgeber 32 vorgesehen. Der Zeitgeber 32, der unter Verwendung eines ICs vom Typ CD4047BE implementiert werden kann, wird ausgelöst, wenn der Komparator 27 zuerst den Zustand infolge des REF 14 übersteigenden Stroms ändert. Das Ausgangssignal des Zeitgebers 32 wird zu diesem Zeitpunkt hoch und bleibt für eine Periode T&sub1; hoch. Am Ende der Periode T&sub1; wird der Zeitgeber 34, der ebenfalls unter Verwendung eines ICs vom Typ CD4047BE implementiert werden kann, ausgelöst. Der Zeitgeber 34 liefert dem NAND-Glied 38 für ein Zeitintervall t&sub2; ein hohes Signal. Das Impulsausgangssignal des Zeitgebers 32 ist in der Größenordnung von 1/2 mS bis einige Sekunden (in Abhängigkeit von der Art der Lasten und der Stromkapazität des Schalters), und das Impulsausgangssignal des Zeitgebers 34 ist wenigstens so lang wie eine Halbperiode der Netzleitungsfrequenz.
Wenn der Strom größer als REF 12 zu irgendeinem Zeitpunkt während der Periode T2 ist, dann ist das Ausgangssignal des NAND-Glieds 38 niedrig, und das Ausgangssignal des NAND-Glieds 39 hoch. Dies schaltet das Flip-Flop 36 vom Typ D, so daß der Transistor 24 und damit der Halbleiter 10 gesperrt wird. Wenn der Strom größer als I1 zu irgendeinem Zeitpunkt in einem Halbperiodenintervall nach t&sub1; ist, wird daher der Halbleiterschalter gesperrt und bleibt bis zu einer manuellen Rückstellung gesperrt. Zur manuellen Rückstellung der Schaltung der Fig. 5 wird zuerst ein Ein/Aus-Schalter 52 ausgeschaltet, wonach der Kurzzeit-Reset-Schalter 25 betätigt werden kann, um das Flip-Flop 36 zurückzustellen Wenn andererseits der Strom auf einen Normalwert, der kleiner als I&sub1; ist, vor dem Ende von t&sub1; abgefallen ist, dann bleibt derHalbleiterschalter 10 eingeschaltet.
Die Vorderkante des Impulses wird auch dazu verwendet, das Flip-Flop 42 zurückzustellen, so daß die Schaltung wieder bereit ist, Kurzzeitstromüberlastungen zu kontrollieren.
Obwohl eine Reihe üblicher Fernsteuerungsimplementierungen angewandt werden kann, wird der Halbleiterschalter 10 vorzugsweise manuell mittels des Schalters 52 geöffnet oder geschlossen, der das Flip-Flop 54 rückstellt oder setzt.
Das Flip-Flop 54 kann ähnlich den Flip-Flops 42 und 50 unter Verwendung eines CD4013BE ICs implementiert werden. Die NAND- und NOR-Glieder können unter Verwendung von ICs des Typs CD4011BE bzw. CD4071BE implementiert werden. Die mit R4 bezeichneten Widerstände werden vorzugsweise unter Verwendung von 15 kOhm-Werten implementiert.
Fig. 6 zeigt das Halbleiterunterbrechungssystem gem. der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf ein Dreiphasenenergieverteilungssystem. Bei dieser Anordnung ist ein Halbleiterschalter 10 in jede der drei Leitungen zwischen die Energiequelle und die Last 12' geschaltet. Ein Stromsensor 16 in jeder Leitung kontrolliert den Laststrom. Ein Signalformierkreis 22' ist in jedem Stromsensor 16 verwendet, um vollweggleichgerichete Signale entsprechend dem Strom in jeder der Leitungen zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform werden die Signale jedes der Signalformierkreise 22" unter Verwendung von drei Funktionsverstärkern 60 kombiniert, so daß die höchste Größe des Signals der drei Signalformierkreise stets auf die Steuerschaltung gegeben wird, die Lang- und Kurzzeitsteuerkreise 20a, 20b, den logischen Kreis 23 und Treiber 24 umfaßt.
Die übrigen Funktionen der Steuerschaltung der Fig. 6 arbeiten in der gleichen Weise, wie in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wurde. Wenn ein Überlastzustand festgestellt wird, schaltet der Steuerkreis 20 alle drei Treiber ab, so daß alle Halbleiterschalter gleichzeitig geöffnet werden.
Die Anordnung der Fig. 6, bei der die Steuerfunktionen für alle drei Phasen gemeinsam sind, ist vom wirtschaftlichen Standpunkt zu bevorzugen. Jedoch sollte jede Phase ihr eigenes Steuersystem haben. Es ist zu beachten, daß letztlich, wenn eine Überlast oder ein Kurzschluß in irgendeiner Phase festgestellt wird, alle Schalter ausgeschaltet werden.
Der Kurzzeitsteuerzweig 20b der Fig. 3 kann unter Verwendung einer Methode alternativ zu der zuvor beschriebenen und in Fig. 5 gezeigten implementiert werden. Statt dessen kann eine Auflauf- oder Softstartfunktion unter Verwendung eines Mikrocomputers oder analoger und digitaler Kreise implementiert werden, die das Anlegen der Spannung graduell bewirken. Wenn z.B. der Einschaltstrom einer Glühlampenlast bewirkt, daß der vorbestimmte Fehlerpegel erreicht wird, wird der Halbleiterschalter von der Steuerschaltung ausgeschaltet. Mit Beginn der nächsten Halbperiode kann die Spannung durch graduelle Erhähung des Phasenwinkels zugeführt werden, bei dem der Schalter über mehrere Perioden eingeschaltet wird. Diese Art der Steuerung ist analog der, die durch Halbleitersteuerschaltungen mit reduzierter Spannung wie Square D's Class 8660 Alpha Pak erzeugt wird. Wenn nach einem Versuch zum Wiederstarten in dieser Weise der Strom wieder den vorbestimmten Fehlerpegel erreicht, dann wird ein Kurzschlußangezeigt, und der Schalter wird geöffnet und bleibt bis zur Rückstellung geöffnet.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist für den Fachmann ersichtlich, daß andere Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Z.B. ist beabsichtigt, daß der Umfang der vorliegenden Erfindung Gleich- und Wechselstrom- Einfach- oder Mehrfachphasenleitungen umfaßt. Außerdem kann jede Art der Anordnung umfassend eine Kombination von Halbleitervorrichtungen oder eine einzige bilaterale Halbleitervorrichtung verwendet werden, die in der Lage ist, Strom in beiden Richtungen zu leiten und zu sperren, verwendet werden, um den Schalter zu implementieren. Er kann z.B. unter Verwendung von verschiedenen Schaltungsanordnungen wie zwei entgegengesetzt parallelen Vorrichtungen, zwei entgegengesetzt in Reihe geschalteten Vorrichtungen, oder einer einzigen Vorrichtung, die mit den Ausgangsanschlüssen eines Vollweggleichrichters verbunden ist, implementiert werden. In jeder Anordnung ist der Haibleiterschalter vorzugsweise in der Lage, die Spannung jeder Polarität zu sperren und Strom in beiden Richtungen zu leiten. Zusätzlich können zwei Absorber anstelle eines verwendet werden, um den Gesamtenergieverbrauch zu verringern; ein Absorber kann über die Punkte A-O und der andere über die Punkte B-O (Fig. 3) geschaltet werden. Solche Änderungen überschreiten nicht den Umfang der beanspruchten Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1 Halbleiter-Unterbrecheranordnung zum Unterbrechen eines Wechselstromes mit Halbperioden in einem Strompfad zwischen einer Quelle (11) und einer Last (12), umfassend:

einen Halbleiterschalter (10), der als integraler Teil des Strompfades angeordnet und so ausgebildet ist, daß er den Strompfad in Abhängigkeit von einem Unterbrechungssignal unterbricht;

einen Sensorkreis (16), der so ausgebildet ist, daß er den Strom im Strompfad abtastet;

einen Energieabsorber (18), der mit dem Strompfad verbunden ist, um Energie aus dem Strompfad in Abhängigkeit vom Halbleiterschalter (10) zu absorbieren, der den Strompfad unterbricht und ein induziertes Stromsignal erzeugt, und

einen Steuerkreis (20), der auf den Sensorkreis anspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Steuerkreis (20) das Unterbrechungssignal an den Nulldurchgängen der Halbperioden periodisch erzeugt, um den Strompfad während vorgeschriebener Intervalle zu unterbrechen, so daß der der Last (12) zugeführte Strom zwischen einem maximalen Strompegel und einem minimalen Strompegel gesteuert wird;

und

daß der Steuerkreis (20) eine Einrichtung (20a) zur Integration des Quadrates des induzierten Stromsignals aufweist.

2. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) eine Einrichtung (20a3) zum Vergleich des Quadrates des integrierten induzierten Stromsignals mit einem Bezugsschwellwert (I²REF) hat, der das Quadrat des Stromes darstellt, für das der Halbleiterschalter (10) bemessen ist.

3. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) einen Mikrocomputer hat, der so programmiert ist, daß er das Quadrat des integrierten induzierten Stromsignals mit einem Bezugsschwellwert vergleicht, der das Quadrat des Stroms darstellt, für das der Halbeiterschalter (10) bemessen ist.

4. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (10) eine Nulldurchgangs-Detektoreinrichtung (20a4) zur Ermittlung des Nulldurchgangs des Stroms hat, und daß die Steuereinrichtung (20a) das Unterbrechungssignal derart erzeugt, daß der Halbleiterschalter (10) den Strompfad beim Nulldurchgang des Stromes unterbricht, um die vom Energieabsorber (18) absorbierte Energie zu minimieren.

5. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) eine Einrichtung (26 - 29) hat, die auf den Sensorkreis (16) anspricht, um den Anfangsauslösepegel entsprechend dem ungünstigsten Schaltzustand zu ermitteln, upd den Strom derart zu steuern, der der Last zugeführt wird, daß der maximale Strompegel (13) des Stromes, der der Last (12) zugeführt wird, geringer als der Anfangsauslösepegel (14) ist, um die vom Engergieabsorber (18) absorbierte Energie zu begrenzen.

6. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) außerdem eine Einrichtung aufweist, die auf den Halbleiterschalter (10) anspricht, der den Strompfad unterbricht, um das Unterbrechungssignal derart zu steuern, das der Last (12) über mehrere Perioden graduell zugeführt wird.

7. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Steuerkreis (20) den Strompfad in Abhängigkeit vom abgetasteten Strom, der einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, sofort unterbricht.

8. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) eine Einrichtung zur Verhinderung der Strompfadunterbrechung in Abhängigkeit von Überlastungsströmen einer relativ langzeitigen Überlastung hat.

9. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) das Ausmaß der Überlastung bestimmt und ein Unterbrechungssignal erzeugt, um den Strompfad in Abhängigkeit von der während einer vorbestimmten Zeitperiode vorhandenen Überlastung zu unterbrechen.

10. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung ngch Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß der Steuerkreis (20) eine Zeitsteuereinrichtung (32) hat, die eine Zeitgrenze festlegt, während der die Last zwischen dem maximalen Strompegel und dem minimalen Strompegel gesteuert wird.

11. Halbleiter-Unterbrechungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) eine Sägezahneinrichung hat, die es dem Steuerkreis ermöglicht, den Strompfad über mehrere Perioden auf der Grundlage eines Phasenwinkels des abgetasteten Stromes im Strompfad aufzubauen.