WO2013178259A1 - Überstromschutzeinrichtung - Google Patents

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WO2013178259A1
WO2013178259A1 PCT/EP2012/060166 EP2012060166W WO2013178259A1 WO 2013178259 A1 WO2013178259 A1 WO 2013178259A1 EP 2012060166 W EP2012060166 W EP 2012060166W WO 2013178259 A1 WO2013178259 A1 WO 2013178259A1
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WO
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conductor
temperature
protection device
overcurrent protection
temperature sensor
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PCT/EP2012/060166
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Andreas Krätzschmar
Martin Maier
Bernhard Rösch
Yi Zhu
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H73/00—Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H83/00—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current
    • H01H83/20—Protective switches, e.g. circuit-breaking switches, or protective relays operated by abnormal electrical conditions otherwise than solely by excess current operated by excess current as well as by some other abnormal electrical condition

Definitions

  • the invention relates to an overcurrent protection device, comprising a conductor, an evaluation unit, a temperature sensor, wherein the conductor is configured such that a current is conducted from a source along a defined path of the Lei ⁇ ester to a consumer.
  • the adjustment range is the range in which monitoring of an operating current of an electrical consumer can take place. It is limited by an operating current upper limit Io and an operating current lower limit Iu.
  • an adjusting means eg an adjusting screw
  • a thermal overload release (bimetal) can be adjusted to the respective system current, so that a targeted monitoring of the downstream consumer to be monitored can be done.
  • an overcurrent protection device comprising a conductor, an evaluation unit, a temperature sensor, wherein the conductor is configured in such a way, that a current from a source along a defined path of the conductor is fed to a consumer and the Tempe ⁇ ratursensor is such arranged on the conductor, that a temperature of the conductor can be measured as a temperature reading, wherein the temperature sensor to the evaluation unit ver ⁇ is connected, besides the evaluation unit to configured the temperature measurement value with a compare in the evaluation unit towards ⁇ terighten temperature limit value, wherein the threshold temperature is selected such that it has a pressure prevailing in the fiber distribution of a maximum permissible elekt ⁇ step Current, wherein a resulting ⁇ de current density is evaluated as an overcurrent in the conductor, the evaluation unit is further configured so that when the temperature measured value has reached the temperature limit, a control signal is output via a control output of the evaluation unit indicating the overcurrent in the conductor.
  • the current density characterizes the distribution of the electric current in a conductor and serves as a measure of its electrical load capacity. It is defined as the ratio of the current intensity to the current cross-sectional area through which the current passes. The larger the current density, the more the conductor heats up and the better the temperature sensor can detect a temperature reading. Depending on the choice of tempera ⁇ ture limit an adjustment for the excess can now be selected current protection system.
  • a to be monitored ⁇ chender stream with a bimetallic actuator is coupled so as a by the current rise to heating of the Bime ⁇ tallauslösers and ultimately to a spatial displacement Part of the bimetallic release comes.
  • a typical adjustment range of a bimetallic release is approximately 1 to 1.6.
  • a typical value for a necessary temperature at a Bimetallausat example 16 Kelvin above ⁇ tempera ture.
  • This adjustment ranges can be greater than 1 to 4, in particular greater than 1 to 6 realize.
  • the conductor is keptbil ⁇ det as a sequence of loops, thereby forming a conductor length of the conductor is accommodated by the Schlin ⁇ genab scenic on a measuring section, wherein the length of extension of the measuring section is less than the length of conductor. Due to the sequence of loops, the conductor in an overcurrent protection device requires less installation space than is known in the prior art.
  • the overcurrent protection device has a first temperature sensor, a second temperature sensor and a third temperature sensor arranged distributed along the path of the conductor and the temperature sensors are arranged to the conductor such that a first Tempe ⁇ rature of Conductor at a first location, a second temperature at a second location, and a third temperature at a third location of the conductor as a first, second and third temperature measurement.
  • Determined temperature of the third temperature sensor at the third location n considered measuring element or considered conductor.
  • the temperature difference value can be determined by the evaluation unit, for example, during a simultaneous determination of the individual temperatures of the temperature sensors.
  • the conductor has a meander-shaped configuration and thus essentially has a rectangular area for an installation space.
  • the rectangular area is advantageous if the temperature sensors are attached ⁇ arranged between the rectangular surface and, for example, a printed circuit board.
  • Head has a meander-shaped, circular configuration on ⁇ and thus a circular area for an installation space is ge ⁇ type , the loops of the conductor are arranged bifilar.
  • a bifilar arrangement of the loops has the particular advantage that, in a circular arrangement, a magnetic field produced by the conductor cancels itself out.
  • a temperature reading can be taken in particular in the middle of the circular area, since centralized here a heating power.
  • a three-point temperature measurement could be performed here at a beginning, in the middle and at one end of the meandering, circular conductor.
  • a further embodiment of the overcurrent protection device provides that the conductor is designed as a flat strip extended in the longitudinal direction and in one Schlinge a cross-sectional reduction in the strip is arranged, which leads to increase the current density in the Umge ⁇ tion of the cross-sectional reduction.
  • a cross-sectional reduction could be, for example, through a hole, a recess or a lateral recess in the flat
  • Strip can be realized.
  • the current density increases at these points, since here the cross-section is reduced.
  • An increase in the current density at the reduced cross section has a temperature increase at this
  • a measuring point can be arranged by means of a temperature sensor at this point, a query of a temperature is thus facilitated.
  • Ladder is designed as a flat strip by a layered composition of several loops as a cuboidal element. Furthermore, it is advantageous if an insulating material is arranged between the layers arranged loops of the cuboidal element.
  • a further refinement of the parallelepiped elementary tes provides that an initial track of the conductor and an end stretch of the conductor are essentially arranged at right angles to the square-shaped element and a portion of the initial and final stretch in each case with a further elekt ⁇ driven conductive surface pronounced Material is reinforced.
  • a reinforcement for example with a copper plate, ges ⁇ taltet a mounting on a circuit board easier and bil ⁇ det a contact surface for a valve disposed in the Kochstromschutzeinrich- processing switching mechanism.
  • the material of the conductor has a chromium-nickel alloy, in particular a copper-nickel alloy, in particular a steel-nickel alloy, in particular a chromium-aluminum alloy.
  • Such alloys have the advantage Part that the resistance remains constant as possible despite heating, which favors an additional strength of the conductor, be ⁇ attracted to an overload current or short-load current at which the overcurrent protection device is not yet to respond directly. Because with a suitable choice of material and a sufficient cross-section of the conductor is not destroyed in a short-term overcurrent ("burn-through danger").
  • a resistance of the conductor relative to the path will be in the range of 1 milliohm to 100 milliohms.
  • the overcurrent protection device is configured as an electrical switch assembly comprising a themsklemmbe ⁇ rich for connecting source lines, an output terminal area for connecting consumer lines, and in addition to the first conductor, a second conductor a third conductor, a first switching means, a second switching means, a third switching means, wherein the conductors in each case in series with the switching means between an associated first, second and third input terminal of flexibilsklemmbe ⁇ rich and a first, second or third Output terminal of the output terminal area are arranged.
  • the overcurrent protection device has for each one conductor each a cooperating with the respective switching means switching lock for switching off the current flowing through the conductor, wherein the force of a spring is used, being clamped to a manual connection and on reaching the excess temperature limit via a with the control output verbunde ⁇ ne triggering device is relaxed.
  • the drawing shows several embodiments for Ausgest- taltung a conductor of an overcurrent protection device. Show it : 1 shows an overcurrent protection device 1 for a three-phase protection between a source and a consumer,
  • an overcurrent protection device 1 for the protection of a consumer 201 is shown. Under consumer here, for example, an electric motor is considered.
  • the load 201 receives its power via a three-phase source 101.
  • the overcurrent protection device 1 provides an input terminal area 100 and an output terminal area 200.
  • a first conductor 10, a second conductor 20 and a third conductor 30 are arranged in the overcurrent protection device 1.
  • the conductors 10, 20, 30 are designed in such a way that a current I i, I 2 , l 3 is conducted from the source 101 along a defined path of the conductors 10, 20, 30 to the consumer 201.
  • each conductor has a first temperature sensor 11, 21, 31, a second temperature sensor 12, 22, 32 and a third temperature sensor 13, 23, 33.
  • the structure of the first conductor 10 is explained in more detail.
  • the first conductor 10 has the first temperature sensor 11, the second temperature sensor 12 and the third temperature sensor 13 distributed along the path of the conductor 10 arranged on.
  • the Temperatursenso ⁇ ren 11,12,13 are arranged on the conductor 10 that a first temperature of the conductor 10 at a first location XI
  • a second temperature at ei ⁇ nem second location X2 and a third temperature at a third location X3 of the conductor 10 as a first, second and third temperature measurement value can be measured.
  • the temperature sensors 11,12,13 are each connected to an off ⁇ evaluation unit 4, besides the evaluation unit 4 is here ⁇ be configured, a temperature reading with a stored in the evaluation unit 4 temperature limit to comparable same or a temperature-difference value to determine and to conclude an overcurrent in the conductor 10 by evaluating a rate of rise of Tem ⁇ perature difference value.
  • An evaluation of the temperature difference value ⁇ ⁇ can be made by the following formula.
  • dt -t. xl ⁇ ⁇ : is the temperature difference value of the corresponding Lei ⁇ ters "n" 10,20,30 to the respective evaluation time, in which by the respective temperature sensors are detected simultaneously, the temperatures,
  • n considered conductor 10, 20, 30
  • evaluation time current time of Messauswer ⁇ tung
  • the evaluation unit 4 is designed such that when the temperature measured value has reached the temperature limit value or the temperature difference value has reached the temperature difference limit value, a control signal 4a, which has an overcurrent in the conductor, is output via a control output 4a of the evaluation unit 4 10 indicates issue.
  • the control output 4a is connected to a trip unit 5 in connection.
  • the trip unit 5 is in turn configured to operate a first switching means 105, a second switching means 205 and a third switching means 305 and thus the
  • 11,12,13; 21,22,23 and 31,32,33 of each conductor 10,20,30 are each arranged by a first insulating layer 51, a second insulating layer 52 and by a third insulating layer 53 of the conductors ⁇ separated.
  • a first embodiment of a conductor 10 is shown in FIG. Between a first copper rail 73 and a second copper rail 74, a planar, meander-shaped conductor is arranged.
  • the flat, meander-shaped Ausges ⁇ lay out your conductor on a first recess 71 and a second recess 72nd A 73 out of the first copper rail ⁇ budding stream can be distributed in a first and in a second branch, until it is brought together on a surface 75 for a temperature sensor again.
  • This merger has a cross-sectional enlargement result so that decreases a current density at this point again. The decrease of
  • FIG 3 another embodiment of the conductor 10 is shown.
  • the conductor 10 is arranged in each case between a Kup ⁇ ferplatte 23rd
  • the conductor 10 is arranged as a flat, metallic strip meandering between the two copper plates 23.
  • the conductor 10 is formed as a succession of loops S1, ..., S6.
  • a conductor length of the conductor 10, which is equivalent to a path W of the conductor 10 is housed by the loop sequence on a Messtre ⁇ blocks MS, wherein the length extension of the measuring section MS is less than the conductor length of the conductor 10, that is smaller than the distance W.
  • ⁇ has play found in ⁇ when the conductor 10, for example a chromium-aluminum alloy is an approximately 8 mm wide and 1 mm thick flat pronounced metal alloy to be advantageous.
  • the ratio of width to thickness of the conductor should therefore in particular ⁇ special have 1 to 10.
  • the conductor 10 on a first insulating layer 51 angeord ⁇ net is.
  • the conductor 10 and the insulating layer 51 are in turn ⁇ arranged on a printed circuit board 60 (see also FIG 9).
  • the measuring path MS is schematically indicated by a route marking in FIG.
  • the route description has a first location XI, a second location X2, and a third location X3. At these three locations X1, X2, X3, three different temperature sensors are distributed.
  • FIG. 4 shows a first type of cross-sectional reduction in a loop of the conductor 10. This is to lateral Ausneh ⁇ provisions 21.
  • FIG 5 is a second type of cross-section reduction shown. This is a Boh ⁇ tion 22nd
  • a further variant embodiment of a conductor 10 ge ⁇ Gurss FIG 6 is displayed.
  • the conductor 10 has a meandering, circular configuration, it is thereby given a circular area for an installation space that is special in this case, the loops of the conductor 10 are arranged bifilar, whereby a magnetic field cancels.
  • the meandering, circular configuration of the conductor 10 could also be considered as a spiral, wherein a first temperature sensor is arranged at the left input of the spiral and a third temperature sensor is arranged at the right exit of the spiral, the second temperature sensor is therefore in the center of the spiral arranged, since here focuses a heat ⁇ development.
  • a particular preferred embodiment variant of the conductor 10 is given according to FIG. Through a layer by layer to ⁇ sammen ein more loops S1, ..., S13, a flat strip of the conductor 10 is folded to a block-shaped element. Between the slices S1,..., S13 arranged in layers, an insulating material 40 is arranged. An initial section AI of the conductor 10 and an end section El of the conductor 10 is arranged substantially at right angles to the cuboid element, wherein in each case a reinforced copper plate can be applied in a partial area of the start and end sections.
  • a substantially larger path W of the conductor 10 can be accommodated on a longitudinal extent of a measuring path MS.
  • temperature sensors distributed over the conductor 10 can be applied.
  • FIG 8 is a possible embodiment variant of a
  • Overcurrent protection device 1 as a switching assembly let ⁇ forms. Between the input clamping region 100 and the output clamping region 200 are the protective elements, as they are symbolized. cally explained with FIG. 1.
  • a circuit board 60 has a first conductor 10, a second conductor 20 and a third conductor 30, the conductors 10, 20, 30 being a layered arrangement of a plurality of loops
  • S1, ..., S13 are configured to a cuboidal element.
  • the printed circuit board 60 is shown in FIG 8 in a De ⁇ tailansicht.
  • the second conductor 20 and the third conductor 30 a first installation space 301, a second installation space 302 and a third installation space 303 can be seen here.
  • the bays 301, ..., 303 serve to receive the first to third temperature sensor.
  • the circuit board 60 is constructed for example as a multi-layer and has in the interior of the circuit board 60 in the Nä- height of the slots 301, ..., 303, the corresponding temperature sensors in ⁇ semiconductor design in the interior of the circuit board 60. Corresponding traces are routed from the Temperatursenso ⁇ ren within the circuit board 60 to the evaluation unit.
  • the evaluation unit 5 is designed to determine a temperature difference value and to compare with a corre sponding ⁇ limit and when the corresponding limit is exceeded, a corresponding switching mechanism, as is known in the prior art, trigger and thus to an overcurrent safety-related.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

Beschreibung
ÜberStromschutzeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung, umfassend einen Leiter, eine Auswerteeinheit, einen Temperatursensor, wobei der Leiter derart ausgestaltet ist, dass ein Strom von einer Quelle längs eines definierten Weges des Lei¬ ters zu einem Verbraucher geführt wird.
Aus der WO 2007/082775 AI ist eine derartige Überstromschutz- einrichtung bereits bekannt. Nachteilig an der bekannten Überstromschutzeinrichtung ist es, dass sie mit einem Bimetallauslöser arbeitet, bei welchem nur ein begrenzter Ein- Stellbereich des Überstromschutzschalters gegeben ist.
Der Einstellbereich ist der Bereich, in welchem eine Überwachung eines Betriebsstromes eines elektrischen Verbrauchers erfolgen kann. Er wird durch eine Betriebsstromobergrenze Io und eine Betriebsstromuntergrenze Iu begrenzt. Mittels eines Einstellmittels (z.B. eine Einstellschraube) an der Vorrich¬ tung kann ein thermischer Überlastauslöser (Bimetall) auf den jeweiligen Anlagenstrom eingestellt werden, so dass eine gezielte Überwachung des nachgeschalteten zu überwachenden Verbrauchers erfolgen kann.
Um den Einstellbereich bei der Überstromschutzeinrichtung aus der WO 2007/082775 AI zu erweitern, werden aufwändige zusätzliche Einstellmittel und Verfahren vorgesehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Überstromschutzeinrichtung bereitzustellen, bei welchem ein erweiterter Einstellbereich auf einfachere Weise als es im Stand der Technik gegeben ist, möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Überstromschutzeinrichtung, umfassend einen Leiter, eine Auswerteeinheit, einen Temperatursensor, wobei der Leiter derart ausgestaltet ist, dass ein Strom von einer Quelle längs eines definierten Weges des Leiters zu einen Verbraucher geführt wird und der Tempe¬ ratursensor derart zu dem Leiter angeordnet ist, dass eine Temperatur des Leiters als ein Temperatur-Messwert messbar ist, wobei der Temperatursensor mit der Auswerteeinheit ver¬ bunden ist, dabei ist die Auswerteeinheit dazu ausgestaltet den Temperatur-Messwert mit einem in der Auswerteeinheit hin¬ terlegten Temperatur-Grenzwert zu vergleichen, wobei der Temperatur-Grenzwert derart gewählt ist, dass er eine in dem Leiter herrschende Verteilung eines maximal zulässigen elekt¬ rischen Stromes repräsentiert, wobei eine daraus resultieren¬ de Stromdichte als ein Überstrom in dem Leiter gewertet wird, die Auswerteeinheit ist weiterhin dazu ausgestaltet, dass wenn der Temperatur-Messwert den Temperatur-Grenzwert er- reicht hat, über einen Steuerausgang der Auswerteeinheit ein Steuersignal ausgegeben wird, welches den Überstrom in den Leiter anzeigt.
Die Stromdichte kennzeichnet die Verteilung des elektrischen Stromes in einem Leiter und dient als Maß für dessen elektrische Belastbarkeit. Sie ist definiert als das Verhältnis der Stromstärke zur Stromquerschnittsfläche, durch die der Strom tritt. Je größer die Stromdichte, umso mehr erwärmt sich der Leiter und desto besser kann mit dem Temperatursensor ein Temperatur-Messwert erfasst werden. Je nach Wahl des Tempera¬ tur-Grenzwertes kann nun ein Einstellbereich für die Über- stromschutzeinrichtung gewählt werden.
Bei einer Überwachung mittels eines Bimetallauslösers, wie es nach dem Stand der Technik der Fall ist, wird ein zu überwa¬ chender Strom mit einem Bimetallauslöser derart gekoppelt, dass er durch den Stromanstieg zu einer Erwärmung des Bime¬ tallauslösers und letztendlich zu einer räumlichen Auslenkung eines Teils des Bimetallauslösers kommt. Ein typischer Ein- Stellbereich eines Bimetallauslösers liegt bei ca. 1 zu 1,6. Ein typischer Wert für eine notwendige Temperatur bei einer Bimetallauslösung ist beispielsweise 16 Kelvin Übertempera¬ tur. Hingegen bei einer Lösung mittels eines Leiters mit ei- nem Temperatursensor kann bereits eine strombedingte Erwärmung von ca. 1 Kelvin ermittelt werden. Hiermit lassen sich Einstellbereiche größer als 1 zu 4, insbesondere größer als 1 zu 6 realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Überstromschutzeinrich- tung ist der Leiter als eine Abfolge von Schlingen ausgebil¬ det, dabei ist eine Leiterlänge des Leiters durch die Schlin¬ genabfolge auf einer Messstrecke untergebracht, wobei die Längenausdehnung der Messstrecke kleiner ist als die Leiterlänge. Durch die Abfolge von Schlingen nimmt der Leiter in einer Überstromschutzeinrichtung weniger Einbauraum in Anspruch als es nach dem Stand der Technik bekannt ist.
Eine weitere Genauigkeit und Ausdehnung des Einstellbereiches wird dadurch erreicht, dass die Überstromschutzeinrichtung einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor und einen dritten Temperatursensor längs des Weges des Leiters verteilt angeordnet aufweist und die Temperatursensoren derart zu dem Leiter angeordnet sind, dass eine erste Tempe¬ ratur des Leiters an einem ersten Ort, eine zweite Temperatur an einem zweiten Ort und eine dritte Temperatur an einem dritten Ort des Leiters als ein erster, zweiter und dritter Temperatur-Messwert messbar ist.
Zur Ermittlung eines Temperaturdifferenzwerts (ΔΤη) kann bei¬ spielsweise folgende Formel angewandt werden:
Figure imgf000005_0001
Temperaturdifferenzwert
Ermittelte Temperatur des ersten Temperatursensors am ersten Ort
Ermittelte Temperatur des zweiten Temperatursensors am zweiten Ort
Ermittelte Temperatur des dritten Temperatursensors am dritten Ort n: Betrachtetes Messelement bzw. betrachteter Leiter.
Der Temperaturdifferenzwert kann durch die Auswerteeinheit beispielsweise bei einer zeitgleichen Ermittlung der einzel- nen Temperaturen der Temperatursensoren ermittelt werden.
Durch eine entsprechende Auswertung des Temperaturdifferenzwerts in der Auswerteeinheit kann letztendlich erkannt werden ob ein ordnungsgemäßer Betrieb des Verbrauchers vorliegt oder ob eine Überlast am Verbraucher ansteht oder bereits vor- liegt.
Bei einer Ausgestaltungsvariante der Überstromschutzeinrich- tung weist der Leiter eine mäanderförmige Ausgestaltung auf und besitzt dadurch im Wesentlichen eine rechteckförmige Flä- che für einen Einbauraum. Die rechteckförmige Fläche ist von Vorteil, wenn zwischen der rechteckförmigen Fläche und beispielsweise einer Leiterplatte die Temperatursensoren ange¬ ordnet sind. Eine andere alternative Ausgestaltung sieht vor, dass der
Leiter eine mäanderförmige, kreisförmige Ausgestaltung auf¬ weist und dadurch eine Kreis-Fläche für einen Einbauraum ge¬ geben ist, wobei die Schlingen des Leiters bifilar angeordnet sind. Eine bifilare Anordnung der Schlingen hat insbesondere den Vorteil, dass sich bei einer kreisförmigen Anordnung ein durch den Leiter hervorgerufenes Magnetfeld aufhebt. Bei ei¬ ner kreisförmigen mäanderförmigen Ausgestaltung, beispielsweise bei einer bifilaren Spirale, ist es von Vorteil, dass ein Einbauraum minimiert wird. Ein Temperaturmesswert kann insbesondere in der Mitte der kreisförmigen Fläche abgenommen werden, da sich hier eine Heizleistung zentralisiert. Eine Drei-Punkte-Temperaturmessung könnte hier an einen Anfang, in der Mitte und an einem Ende des mäanderförmigen, kreisförmigen Leiters durchgeführt werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Überstromschutzeinrichtung sieht vor, dass der Leiter als ein in Längsrichtung ausgedehnter flacher Streifen ausgestaltet ist und in einer Schlinge eine Querschnittsverkleinerung in dem Streifen angeordnet ist, welche zur Erhöhung der Stromdichte in der Umge¬ bung der Querschnittsverkleinerung führt. Eine Querschnittsverkleinerung könnte beispielsweise durch eine Bohrung, eine Ausnehmung oder eine laterale Aussparung in dem flachen
Streifen realisiert werden. Bei einer Bohrung oder einer seitlichen Verengung des Streifens bzw. des Leiters nimmt die Stromdichte an diesen Stellen zu, da hier der Querschnitt verkleinert ist. Eine Zunahme der Stromdichte an dem verklei- nerten Querschnitt hat eine Temperaturerhöhung an dieser
Stelle zur Folge. Dementsprechend kann an dieser Stelle eine Messstelle mittels eines Temperatursensors angeordnet werden, eine Abfrage einer Temperatur wird somit erleichtert. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der
Leiter als flacher Streifen durch eine schichtweise Zusammenstellung mehrerer Schlingen als ein quaderförmiges Element ausgestaltet ist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn zwischen den schichtweise angeordneten Schlingen des quaderförmigen Elementes ein Isolationsmaterial angeordnet ist.
Eine weiterführende Ausgestaltung des quaderförmigen Elemen- tes sieht vor, dass eine Anfangsstrecke des Leiters und eine Endstrecke des Leiters im Wesentlichen rechtwinklig zu dem quaderförmigen Element angeordnet sind und ein Teilbereich der Anfangs- und Endstrecke jeweils mit einem weiteren elekt¬ risch leitenden, flächig ausgeprägten Material verstärkt ist. Eine Verstärkung, beispielsweise mit einer Kupferplatte, ges¬ taltet einen Einbau auf einer Leiterplatte einfacher und bil¬ det eine Kontaktfläche für ein in der Überstromschutzeinrich- tung angeordnetes Schaltschloss . Mit Vorteil weist das Material des Leiters eine Chrom-Nickel- Legierung, insbesondere eine Kupfer-Nickel-Legierung, insbesondere eine Stahl-Nickel-Legierung, insbesondere eine Chrom- Aluminium-Legierung auf. Derartige Legierungen haben den Vor- teil, dass der Widerstand trotz Erwärmung möglichst konstant bleibt, welches eine zusätzliche Festigkeit des Leiters, be¬ zogen auf einen Überlaststrom oder Kurzlaststrom bei welchen die Überstromschutzeinrichtung noch nicht direkt reagieren soll, begünstigt. Denn bei einer geeigneten Materialwahl und einem ausreichenden Querschnitt wird der Leiter bei einem kurzzeitigen Überstrom nicht zerstört ( "Durchbrenn-Gefahr" ) .
Vorteilhafter Weise wird ein Widerstand des Leiters bezogen auf den Weg im Bereich von einem 1 Milliohm bis 100 Milliohm liegen .
Für einen Einsatz, beispielsweise als Motorstromschutzschal¬ ter, ist die Überstromschutzeinrichtung ausgestaltet als eine elektrische Schaltbaugruppe umfassend, einen Eingangsklemmbe¬ reich zum Anschließen von Quell-Leitungen, einen Ausgangsklemmbereich zum Anschließen von Verbraucher-Leitungen, und zusätzlich zu dem ersten Leiter, einen zweiten Leiter, einen dritten Leiter, ein erstes Schaltmittel, ein zweites Schalt- mittel, ein drittes Schaltmittel, wobei die Leiter jeweils in Reihe mit den Schaltmitteln zwischen einer zugehörigen ersten, zweiten bzw. dritten Eingangsklemme des Eingangsklemmbe¬ reiches und einer ersten, zweiten bzw. dritten Ausgangsklemme des Ausgangsklemmbereiches angeordnet sind.
Die Überstromschutzeinrichtung weist für je einen Leiter je ein mit dem jeweiligen Schaltmittel zusammenwirkenden Schalt- schloss zum Abschalten des über den Leiter fließenden Stromes auf, wobei die Kraft einer Feder genutzt wird, wobei einem manuellen Zuschalten gespannt und bei Erreichen des Übertemperatur-Grenzwertes über eine mit den Steuerausgang verbunde¬ ne Auslöseeinrichtung entspannt wird.
Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsbeispiele zur Ausges- taltung eines Leiters einer Überstromschutzeinrichtung . Es zeigen : FIG 1 eine Überstromschutzeinrichtung 1 für einen dreiphasigen Schutz zwischen einer Quelle und einen Verbraucher,
FIG 2 eine erste Ausgestaltungsvariante eines Leiters,
FIG 3 eine zweite Ausgestaltungsvariante eines Leiters,
FIG 4 Querschnittsverkleinerung in einem Leiter, eine weitere Querschnittsverkleinerung in einem Leiter, eine dritte Ausgestaltungsvariante eines Leiters, eine vierte Ausgestaltungsvariante eines Leiters, eine Überstromschutzeinrichtung ausgestaltet als eine Schaltbaugruppe und eine Leiterplatte der Schaltbaugruppe.
Gemäß FIG 1 ist eine Überstromschutzeinrichtung 1 für den Schutz eines Verbrauchers 201 dargestellt. Unter Verbraucher wird hier beispielsweise ein Elektromotor angesehen. Der Verbraucher 201 erhält seinen Strom über eine dreiphasige Quelle 101. Für einen Anschluss der Quelle 101 und des Ver¬ brauchers 201 sieht die Überstromschutzeinrichtung 1 einen Eingangsklemmbereich 100 und einen Ausgangsklemmbereich 200 vor.
Für den dreiphasigen Schutz des Verbrauchers 201 sind in der Überstromschutzeinrichtung 1 ein erster Leiter 10, ein zweiter Leiter 20 und ein dritter Leiter 30 angeordnet. Die Lei- ter 10,20,30 sind derart ausgestaltet, dass ein Strom I i , I2,l3 von der Quelle 101 längs eines definierten Weges der Leiter 10,20,30 zu dem Verbraucher 201 geführt wird. Um eine Temperaturverteilung in den Leitern 10,20,30 zu bestimmen, weist jeder Leiter einen ersten Temperatursensor 11,21,31, einen zweiten Temperatursensor 12,22,32 und einen dritten Temperatursensor 13,23,33 auf. Am Beispiel des ersten Leiters 10 sei der Aufbau näher erklärt. Der erste Leiter 10 weist den ersten Temperatursensor 11, den zweiten Temperatursensor 12 und den dritten Temperatursensor 13 längs des Weges des Leiters 10 verteilt angeordnet auf. Die Temperatursenso¬ ren 11,12,13 sind derart zu dem Leiter 10 angeordnet, dass eine erste Temperatur des Leiters 10 an einem ersten Ort XI
(siehe hierzu FIG 3 und FIG 7), eine zweite Temperatur an ei¬ nem zweiten Ort X2 und eine dritte Temperatur an einem dritten Ort X3 des Leiters 10 als ein erster, zweiter und dritter Temperatur-Messwert messbar ist.
Die Temperatursensoren 11,12,13 sind jeweils mit einer Aus¬ werteeinheit 4 verbunden, dabei ist die Auswerteeinheit 4 da¬ zu ausgestaltet, einen Temperatur-Messwert mit einem in der Auswerteeinheit 4 hinterlegten Temperatur-Grenzwert zu ver- gleichen oder einen Temperatur-Differenzwert zu ermitteln und durch eine Auswertung einer Anstiegsgeschwindigkeit des Tem¬ peratur-Differenzwertes auf einen Überstrom in dem Leiter 10 zu schließen. Eine Auswertung des Temperatur-Differenzwertes ΔΤη kann durch folgende Formel erfolgen.
(dATA ATm-AT n(x-l)
dt -t. x-l ΔΤη: Ist der Temperaturdifferenzwert des entsprechenden Lei¬ ters „n" 10,20,30 zum jeweiligen Auswertezeitpunkt, in welchem durch die entsprechenden Temperatursensoren gleichzeitig die Temperaturen erfasst werden,
n: Betrachteter Leiter 10,20,30
x: Auswertezeitpunkt (aktueller Zeitpunkt einer Messauswer¬ tung) Weiterhin ist die Auswerteeinheit 4 dazu ausgestaltet, dass wenn der Temperatur-Messwert den Temperatur-Grenzwert oder der Temperatur-Differenzwert den Temperatur-Differenz-Grenzwert erreicht hat, über einen Steuerausgang 4a der Auswerte- einheit 4 ein Steuersignal, welches einen Überstrom in dem Leiter 10 anzeigt, auszugeben.
Der Steuerausgang 4a steht mit einer Auslöseeinheit 5 in Verbindung. Die Auslöseeinheit 5 ist wiederum dazu ausgestaltet ein erstes Schaltmittel 105, ein zweites Schaltmittel 205 und ein drittes Schaltmittel 305 zu betätigen und damit den
Stromkreis von der Quelle 101 zu dem Verbraucher 201 als Schutzmaßnahme zu unterbrechen. Die Temperatursensoren
11,12,13; 21,22,23 und 31,32,33 eines jeden Leiters 10,20,30 sind jeweils durch eine erste Isolationsschicht 51, eine zweite Isolationsschicht 52 und durch eine dritte Isolations¬ schicht 53 von den Leitern getrennt angeordnet.
Eine erste Ausführungsform eines Leiters 10 ist gemäß FIG 2 dargestellt. Zwischen einer ersten Kupferschiene 73 und einer zweiten Kupferschiene 74 ist ein flächig, mäanderförmig ausgeprägter Leiter angeordnet. Als Besonderheit bei dieser Aus¬ gestaltungsvariante weist die flächig, mäanderförmige Ausges¬ taltung des Leiters eine erste Aussparung 71 und eine zweite Aussparung 72 auf. Ein von der ersten Kupferschiene 73 ausge¬ hender Strom kann sich in einen ersten und in einen zweiten Zweig verteilen, bis er an einer Fläche 75 für einen Temperatursensor wieder zusammengeführt wird. Diese Zusammenführung hat eine Querschnittsvergrößerung zur Folge damit nimmt eine Stromdichte an dieser Stelle wieder ab. Die Abnahme der
Stromdichte an der Fläche 75 hat den Vorteil, dass hier ein Temperatursensor platziert werden kann, welche eine Tempera¬ tur misst, welche nicht zwangsläufig mit der Temperatur über¬ einstimmen muss, welche an einem anderen Ort des Leiters 10 herrscht. Damit wird erreicht, dass bei einem kurzzeitigen
Überstrom, z.B. Einschaltstrom eines Motors, nicht sofort die gemessene Temperatur in dem Bereich des Temperatur-Grenzwertes gelangt. Gemäß FIG 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Leiters 10 dargestellt. Der Leiter 10 ist jeweils zwischen einer Kup¬ ferplatte 23 angeordnet. Der Leiter 10 ist als ein flächiger, metallischer Streifen mäanderförmig zwischen den beiden Kup- ferplatten 23 angeordnet. Demnach ist der Leiter 10 als eine Abfolge von Schlingen S1,...,S6 ausgebildet. Eine Leiterlänge des Leiters 10, welche gleichzusetzen ist mit einem Weg W des Leiters 10 ist durch die Schlingenabfolge auf einer Messtre¬ cke MS untergebracht, wobei die Längenausdehnung der Mess- strecke MS kleiner ist als die Leiterlänge des Leiters 10, also kleiner als der Weg W. Als vorteilhaft hat sich bei¬ spielsweise herausgestellt, wenn der Leiter 10 eine ca. 8 mm breite und 1 mm starke flächig ausgeprägte Metalllegierung, beispielsweise eine Chrom-Aluminium-Legierung ist. Das Ver- hältnis von Breite zu Dicke des Leiters sollte daher insbe¬ sondere 1 zu 10 aufweisen.
Für den späteren Einbau des Leiters 10 in eine Schaltbaugrup¬ pe als eine Überstromschutzeinrichtung ist es ratsam, wenn der Leiter 10 auf einer ersten Isolationsschicht 51 angeord¬ net ist. Der Leiter 10 und die Isolationsschicht 51 sind wie¬ derum auf einer Leiterplatte 60 angeordnet (siehe auch FIG 9) . Unterhalb der Leiterplatte 60 ist in der FIG 3 schematisch die Messstrecke MS durch eine Streckenabzeichnung angedeutet. Die Streckenabzeichnung weist einen ersten Ort XI, einen zweiten Ort X2 und einen dritten Ort X3 auf. An diesen drei Orten X1,X2,X3 werden drei unterschiedliche Temperatursenso- ren verteilt angeordnet.
Gemäß FIG 4 und FIG 5 ist jeweils eine Seitenansicht des Lei¬ ters 10 aus FIG 3 dargestellt. Mit FIG 4 wird eine erste Art einer Querschnittsverkleinerung in einer Schleife des Leiters 10 dargestellt. Hierbei handelt es sich um laterale Ausneh¬ mungen 21. In FIG 5 ist eine zweite Art der Querschnittsverkleinerung dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Boh¬ rung 22. Eine weitere Ausgestaltungsvariante eines Leiters 10 ist ge¬ mäß FIG 6 abgebildet. Dabei weist der Leiter 10 eine mäander- förmige, kreisförmige Ausgestaltung auf, es wird dadurch eine Kreis-Fläche für einen Einbauraum gegeben, dass besondere ist hierbei das die Schlingen des Leiters 10 bifilar angeordnet sind, wodurch sich ein Magnetfeld aufhebt. Die mäanderförmi- ge, kreisförmige Ausgestaltung des Leiters 10 könnte auch als eine Spirale betrachtet werden, wobei am linken Eingang der Spirale ein erster Temperatursensor angeordnet wird und am rechten Ausgang der Spirale ein dritter Temperatursensor angeordnet wird, der zweite Temperatursensor wird demzufolge im Mittelpunkt der Spirale angeordnet, da sich hier eine Wärme¬ entwicklung konzentriert. Eine besondere bevorzugte Ausgestaltungsvariante des Leiters 10 ist gemäß der FIG 7 gegeben. Durch eine schichtweise Zu¬ sammenstellung mehrerer Schleifen S1,...,S13 ist ein flacher Streifen des Leiters 10 zu einem quaderförmigen Element zusammengelegt. Zwischen den schichtweise angeordneten Schlei- fen S1,...,S13 ist ein Isolationsmaterial 40 angeordnet. Eine Anfangsstrecke AI des Leiters 10 und eine Endstrecke El des Leiters 10 ist im Wesentlichen rechtwinklig zu dem quaderförmigen Element angeordnet, wobei in einem Teilbereich der Anfangs- und Endstrecke jeweils eine verstärkte Kupferplatte aufgebracht sein kann.
Durch die schichtweise Zusammenstellung der Schlingen
S1,...,S13 kann auf einer Längenausdehnung einer Messstrecke MS ein wesentlicher größerer Weg W des Leiters 10 untergebracht werden.
An den Orten XI, X2 und X3 können über den Leiter 10 verteilt Temperatursensoren angebracht werden. Mit FIG 8 ist eine mögliche Ausgestaltungsvariante einer
Überstromschutzeinrichtung 1 als eine Schaltbaugruppe abge¬ bildet. Zwischen dem Eingangsklemmbereich 100 und dem Ausgangsklemmbereich 200 sind die Schutzelemente, wie sie symbo- lisch mit FIG 1 erklärt wurden, angeordnet. Eine Leiterplatte 60 weist einen ersten Leiter 10, einen zweiten Leiter 20 und einen dritten Leiter 30 auf, wobei die Leiter 10,20,30 als eine schichtweise Zusammenstellung mehrerer Schlingen
S1,...,S13 zu einen quaderförmigen Element ausgestaltet sind.
Gemäß FIG 9 ist die Leiterplatte 60 aus FIG 8 in einer De¬ tailansicht dargestellt. Neben dem ersten Leiter 10, dem zweiten Leiter 20 und dem dritten Leiter 30 sind hier ein erster Einbauplatz 301, ein zweiter Einbauplatz 302 und ein dritter Einbauplatz 303 zu sehen. Die Einbauplätze 301, ..., 303 dienen der Aufnahme des ersten bis dritten Temperatursensors. Die Leiterplatte 60 ist beispielsweise als ein Multilayer aufgebaut und weist im Inneren der Leiterplatte 60 in der Nä- he der Einbauplätze 301,..., 303 die entsprechenden Temperatur¬ sensoren in Halbleiterbauform im Inneren der Leiterplatte 60 auf. Entsprechende Leiterbahnen sind von den Temperatursenso¬ ren innerhalb der Leiterplatte 60 zu der Auswerteeinheit 5 geführt. Die Auswerteeinheit 5 ist dabei ausgestaltet, einen Temperatur-Differenz-Wert zu ermitteln und mit einem entspre¬ chenden Grenzwert zu vergleichen und bei Überschreiten des entsprechenden Grenzwertes ein entsprechendes Schaltschloss , wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, auszulösen und damit auf einen Überstrom sicherheitstechnisch zu reagieren.

Claims

Patentansprüche
1. Überstromschutzeinrichtung (1), umfassend
einen Leiter (10),
eine Auswerteeinheit (4),
einen Temperatursensor (11), wobei
- der Leiter (10) derart ausgestaltet ist, dass ein Strom (I) von einer Quelle (101) längs eines definierten Weges (W) des Leiters (10) zu einem Verbraucher (201) geführt wird und
- der Temperatursensor (11) derart zu dem Leiter (10) ange¬ ordnet ist, dass eine Temperatur des Leiters (10) als ein Temperatur-Messwert messbar ist, wobei
- der Temperatursensor (11) mit der Auswerteeinheit (4) verbunden ist, dabei ist die Auswerteeinheit (4) dazu ausgestaltet den Temperatur-Messwert mit einem in der Auswerteeinheit (4) hinterlegten Temperatur-Grenzwert zu vergleichen, wobei der Temperatur-Grenzwert derart ge¬ wählt ist, das er eine in dem Leiter (10) herrschende Verteilung eines maximal zulässigen elektrischen Stromes repräsentiert, wobei eine daraus resultierende Stromdich¬ te als ein Überstrom in dem Leiter (10) gewertet wird,
- die Auswerteeinheit (4) ist weiterhin dazu ausgestaltet, dass wenn der Temperatur-Messwert den Temperatur-Grenz- wert erreicht hat, über einen Steuerausgang (4a) der Aus¬ werteeinheit (4) ein Steuersignal ausgegeben wird, wel¬ ches den Überstrom in dem Leiter (10) anzeigt.
2. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Leiter (10) als eine Abfolge von Schlingen (S1,...,S13) ausge¬ bildet ist, dabei ist eine Leiterlänge des Leiters (10) durch die Schlingenabfolge auf einer Messstrecke (MS) unterge¬ bracht, wobei die Längenausdehnung der Messtrecke (MS) klei¬ ner ist als die Leiterlänge.
3. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein erster Temperatursensor (11), ein zweiter Temperatur- sensor (12) und ein dritter Temperatursensor (13) längs des Weges (W) des Leiters (10) verteilt angeordnet ist und die Temperatursensoren (11,12,13) derart zu dem Leiter (10) angeordnet sind, dass eine erste Temperatur des Leiters (10) an einen ersten Ort (XI), eine zweite Temperatur an einem zweiten Ort (X2) und eine dritte Temperatur an einem dritten Ort (X3) des Leiters (10) als ein erster, zweiter und dritter Temperatur-Messwert messbar ist.
4. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinheit (4) mit dem ersten Temperatursensor (11), dem zweiten Temperatursensor (12) und dem dritten Temperatursensor (13) verbunden ist und dazu ausgestaltet ist aus dem ers¬ ten, zweiten und dritten Temperatur-Messwert einen Tempera- turdifferenzwert zu berechnen.
5. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Leiter (10) eine mäanderförmige Ausgestal¬ tung aufweist und dadurch eine im Wesentlichen rechteckförmi- ge Fläche für einen Einbauraum gegeben ist.
6. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Leiter (10) eine mäanderförmige, kreisförmi¬ ge Ausgestaltung aufweist und dadurch eine Kreis-Fläche für einen Einbauraum gegeben ist, wobei die Schlingen des Leiters (10) bifilar angeordnet sind.
7. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Leiter (10) als ein in Längsrichtung ausge- dehnter flacher Streifen ausgestaltet ist und in einer
Schlinge eine Querschnittsverkleinerung in dem Streifen angeordnet ist, welche zur Erhöhung der Stromdichte in der Umge¬ bung der Querschnittsverkleinerung führt.
8. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei der Leiter (10) als flacher Streifen durch eine schichtweise Zu¬ sammenstellung mehrerer Schlingen (S1,...,S13) als ein quaderförmiges Element ausgestaltet ist.
9. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei zwischen den schichtweise angeordneten Schlingen (S1,...,S13) ein Isolationsmaterial (40) angeordnet ist.
10. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Anfangsstrecke (AI) des Leiters (10) und eine End¬ strecke (El) des Leiters (10) im Wesentlichen rechtwinkelig zu dem quaderförmiges Element angeordnet sind und ein Teilbe¬ reich der Anfangs- und Endstrecke (AI, El) jeweils mit einem weiteren elektrisch leitenden, flächig ausgeprägten Material verstärkt ist.
11. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Material des Leiters
- eine Chrom-Nickel Legierung, insbesondere
- eine Kupfer-Nickel Legierung, insbesondere
- eine Stahl-Nickel Legierung, insbesondere
- eine Chrom-Aluminium Legierung
aufweist .
12. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Widerstand des Leiters (10) bezogen auf den Weg (W) im Bereich von 1 Milliohm bis 100 Milliohm liegt.
13. Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgestaltet als elektrische Schaltbaugruppe umfas¬ send,
einen Eingangsklemmbereich (100) zum Anschließen von Quell- Leitungen,
einen Ausgangsklemmbereich (200) zum Anschließen von Verbraucher-Leitungen, und zusätzlich zu dem
ersten Leiter (10),
einen zweiten Leiter (20),
einen dritten Leiter (30),
ein erstes Schalmittel (105),
ein zweites Schalmittel (205) ,
ein drittes Schalmittel (305) , wobei die Leiter (10,20,30) jeweils in Reihe mit den Schalt¬ mitteln (105,205,305) zwischen einer zugehörigen ersten, zweiten bzw. dritten Eingangsklemme des Eingangsklemmberei¬ ches (100) und einer ersten, zweiten bzw. dritten Ausgangsklemme des Ausgangsklemmbereichs (200) angeordnet sind.
14. Überstromschutzeinrichtung (1) nach Anspruch 13 aufweisend für je einen Leiter (10,20,30) je ein mit dem jeweiligen Schaltmittel (105,205,305) zusammenwirkendes Schaltschloss zum Abschalten des über den Leiter (10,20,30) fließenden Stromes ( I i , 12,13), wobei die Kraft einer Feder genutzt wird, welche bei einem manuellen Zuschalten gespannt wird und bei Erreichen des Temperatur-Grenzwertes über eine mit dem Steu¬ erausgang (4a) verbundene Auslöseeinrichtung (5) entspannt wird .
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