DD146726A1 - Verfahren zur erzeugung von gleichstromimpulsen in spulen von elektromagneten - Google Patents

Abstract

Ein besonderes Anwendungsgebiet stellt die Magnetisierung von Dauermagneten in Ausloesern von Fehlerstromschutzschaltern bis zum geforderten Ausloesestrom dar. Die technische Aufgabe besteht darin, die Erzeugung der Gleichstromimpulse mit veraenderbarem, genau wiederholbarem Sollwert der Amplitude in der Spule des Elektromagneten zum Zwecke des Auf- und Abmagnetisierens zu verbessern. Erfindungsgemaesz wird ein nach einer e-Funktion ansteigender Magnetisierungsstrom genau dann unterbrochen, wenn der Augenblickswert des Stromes der als Sollwert vorgegebenen Strom- bzw. Feldstaerke-Amplitude entspricht.

Description

2 U375

~^Λ-

Verfahren zur Erzeugung von Gleichstromimpulsen in Spulen von Elektromagneten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von GMch» Stromimpulsen in Spulen von Elektromagneten, wobei die Amplitude der Impulse durch einen vorgegebenen Strom-Sollwert oder Feldstärke-Sollwert vorgewählt wird· Es dient insbesondere zur Aufmagnetisierung und nachfolgenden definierten Abmagnetieierung von Dauermagneten· Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet liegt in der schrittweisen Abmagnetisierung der Dauermagnete von Auslösern in Fehierstrom-Schutzschaltern zur Einstellung der Empfindlichkeit·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Erzeugung von Gleichstromimpulsen zur Aufmagnetisierung von Dauermagneten ist unproblematisch, da es nur darauf ankommt, die 3 bis 5-fache Koerzitivfoldstärke des Dauermagnetmaterials zu erzeugen» Die Hersteller von Dauermagneten verwenden dazu beispielsweise Elektromagnete, deren Spulen nur wenige Windungen dicken Drahtes besitzen. Durch Zündung eines Ignitrons wird eine geladene Kondensatorenbatterie auf die Spule geschaltet, wodurch ein Stromimpuls mit einer Amplitude in der Größenordnung von IO A entsteht. Der Dauermagnet wird dadurch bis zur Sättigung aufmagnetisiert_β Wesentlich schwieriger ist dagegen die Abmagnetisierung eines bis in die Sättigung aufmagnetisierten Dauermagneten auf einen bestimmten Arbeitspunkt«

- 2 - "

Dieses Problem tritt beispielsweise bei Fehlerstromschutzechaltern auf· Gegenwärtig wird der Auslösestrom dieser Schalter meist durch mechanisches Verstellen des Dauermagneten am Auslöser durchgeführt, wobei die auf den Auslöser einwirkende Polfläche des Dauermagneten verstellt wird· Diese Einstellung wird von Hand ausgeführt, da sie nicht oder kaum automatisierbar ist. Für eine Automatisierung besser geeignet ist die Einstellung des Arbeitspunktes auf der B-H-Kennlinie des Dauermagneten durch ein äußeres Feld, welches von einem Elektromagneten erzeugt wird· Bei einem genügend starken Feld kann dabei die Auf- und Abmagnetisierung durch den ganzen Fehlerstromschutzschalter hindurch erfolgen.

Es sind bereits Verfahren zur Aufmagnetisierung und nachfolgenden Abmagnetisierung auf einen bestimmten Arbeitspunkt des Dauermagneten bekannt· Bei dem Verfahren nach der DE-AS 2 534 wird beispielsweise die Amplitude des Abmagnetisierungsimpulses von einem Stellwiderstand bestimmt· Dieser wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Soll- und Istwert der Induktion des Dauermagneten über einen Funktionsgenerator verstellt» Nach der Aufmagnetisierung, die von einer besonderen Spannungsquelle erfolgt, wird durch einen Taktgenerator gesteuert, abwechselnd die Induktion im Dauermagneten gemessen, der Stellwiderstand verstellt und dann die gesonderte Spannungsquelle für die Abmagnetisierung über den Stellwiderstand auf den Elektromagneten'geschaltet· Die Verwendung eines Stellwiderstandes, der mechanisch bewegte Teile enthält, ist für automatisch arbeitende Einrichtungen nicht günstig, u, a» auch wegen der notwendigen Einstellzeit· Außerdem müßte die Spannungsquelle für die Abmagnetisierung stabilisiert sein, denn der Strom hängt nicht nur vom Widerstand sondern auch von der Spannung ab·

Bei dem Verfahren nach der DE-AS 1 539 511 wird ein Kondensator je nach der geforderten Amplitude des Abmagnetisierungsimpulses auf eine bestimmte Spannung aufgeladen· Danach wird ein Thyristor gezündet, der den Kondensator auf die Spule des Elektromagneten schaltet· Dabei entlädt sich dieser in Form eines Abmagneti-

- 3 - £ ΐ 6

sierungsimpulses mit bestimmter Amplitude. Die Aufladung auf die bestimmte Spannung wird durch einen Hauptstromregler gesicherte Bei diesem Verfahren wird, um eine bestimmte Impulsamplitude zu erhalten, gewissermaßen eine genau dosierte Energie auf dem Kondensator gespeichert, der dann in einem weiteren Schritt über die Spule des Elektromagneten entladen wird Allerdings hängt die Stromamplitude nicht nur von der Kondensatorspannung, sondern auch vom Widerstand der Spule und damit von der Erwärmung derselben ab· Der Hauptstromregler, der fur die bestimmte Aufladung des Kondensators notwendig ist, muß verhältnismäßig aufwendig sein, besonders wenn hohe Ladespannungen notwendig sind· Nachteilig ist auch, daß die Impulserzeugung in zwei Schritten erfolgt.

Die DE-OS 2 512 753 beschreibt eine Entmagnetisierungseinrichtung, die einen zeitlich abnehmenden Wechselstrom - ähnlich einer gedämpften Schwingung - erzeugt» Diese Einrichtung ist im wesentlichen zur völligen Entmagnetisierung von Teilen bestimmt, die keinen Restmagnetismus behalten dürfen, z· B* Uhren·

Zie 1der

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, mit dem Gleichstromimpulse zur Auf- und Abmagnetisierung von Dauermagneten mit einfacheren Mitteln erzeugt werden können*

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Erzeugung von Gleichstromimpulsen mit veränderlichem aber genau wiederholbarem Sollwert der Amplitude in der Spule eines Elektromagneten, der vorzugsweise zur Auf- und Abmagnetisierung von Dauermagneten dient, gegenüber den bekannten Lösungen zu verbessern.

. - ⁴ - Z

Bekanntlich kann man die. Spule jedes Elektromagneten als Reihenschaltung einer Induktivität mit einem ohmischen Widerstand auffassen. Legt man an die Klemmen der Spule eine glatte Gleichspannung oder eine Gleichspannung mit vernachläßigbarer Welligkeit, so steigt der Strom in der Spule nach einer annähernden e-Funktion an· Eine ideale e-Funktion wird nur erreicht, wenn die Induktivität unabhängig vom Strom ist, dies ist aber bei einem Elektromagneten, der immer ferromagnetisches Material enthält, nie der Fall· Der erfindungsgemäße Gedanke besteht nun darin, den nach dieser e-Funktion ansteigenden Strom dann zu unterbrechen, wenn der Augenblickswert des Stromes genau so groß ist, wie die als Sollwert vorgegebene Stromamplitude· Nach der Unterbrechung klingt der Strom über eine Freilaufdiode aus, so daß der Impuls beendet wird· Fur bestimmte Anwendungsfälle ist es günstiger, wenn Impulse mit vorgewählter Feldstärke-Amplitude statt Strom-Amplitude erzeugt werden, da letztenendes für die Auf- und Abmagnetisierung die Größe der Feldstärke maßgebend ist» Solange Strom- und Feldstärke einander proportional oder zumindest annähernd proportional sind, kann mit vorgewählter Strom-Amplitude magnetisiert werden· Ist aber z· B· wie bei Auslösern von Fehlerstromschutzschaltern der Dauermagnet zwischen ferroroagnetischen Teilen eingeschlossen bzw· teilweise von diesen überbrückt, so übernimmt der Raum, in dem sich der Dauermagnet befindet, erst eine merkliche Feldstärke» wenn die ferromagnetischen Teile gesättigt sind· Da diese Sättigung verhältnismäßig plötzlich eintritt, erfolgt die Feldstärkeübernahme ebenfalls plötzlich, und man magnetisiert dadurch möglicherweise gleich zu weit ab· In diesem Fall ist es besser, die Feldstärke direkt zu erfassen und die Abschaltung des Stromes dann vorzunehmen, wenn ein vorgewählter Feidstärkesollwert erreicht ist·

Au_s_Mf üh_irungsbei_isjpi.el

Die Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden· In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig, 1 Eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine vorgegebene Sollwert-Stromamplitude,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm,

Fig, 3 eine andere Ausführung der Erfindung für eine vorgegebene Sollwert-Feldstärke, ·

Für die Spannungsquelle 1 zur Erzeugung der Impulse wird vorzugsweise eine Drehstrombrückenschaltung verwendet. Der Kondensator 2 soll während der Impulsdauer Strom liefern und so verhindern, daß das Netz impulsmäßig belastet wird. Der Thyristor-Gleichstromschalter 3 enthält als Innenschaltung eine von vielen bekannten Schaltungen. Von Bedeutung ist, daß bei einem Η-Signal am Ausgang der Zündschaltung 13 der Schalter eingeschaltet, also die Strecke A-B leitend wird, während bei einem Η-Signal am Ausgang der Zündschaltung 12 der Thyristor-Gleichstromschalter 3 gesperrt wird. Ein gleichzeitiges Auftreten von Η-Signalen an den Ausgängen der Zündschaltungen 12 und 13 muß verhindert werden, da sonst der Thyristor-Schalter 3 nicht mehr löschbar ist. Dies wird durch Negator 15 und die Und-Schältung 14 erreicht. Der Gleichstrom-Wandler 4, der vorzugsweise nach dem Transduktor-Prinzip arbeitet, gibt eine Ausgangsspannung ab, die dem Augenblickswert des Gleichstromes proportional ist. Die Thyristoren 5, 6, 7 und 8 bilden zusammen den Polaritätswechsler, Werden z, B, die Thyristoren 5 und 6 von nicht mit gezeichneten Zündschaltungen gezündet, so fließt der Strom, wenn auch der Thyristor-Gleichstromschalter 3 gezündet ist, in der einen Richtung durch den Elektromagneten 16, Dies entspricht z. B, der Aufmagnetisierung, Sind dagegen die Thyristoren 7 und 8 gezündet, so fließt der Strom in der entgegengesetzten Richtung und es wird agmagnetisiert. Der Dauermagnet 18, der sich beispielsweise in einem angedeuteten Auslöser 17 für Fehlerstrom-Schutzschalter befindet, wird von den Polen des Elektromagneten 16 magnetisiert. Dem Komparator 10 wird der Strom-Istwert vom Gleichstromwandler 4 und die Strom-Sollwert-Amplitude zugeführt. Ihm ist ein monostabiler Multivibrator 11

nachgeschaltet, dessen Ausgang die Zündschaltung 12 und den Negator 15 ansteuert· Letzter wirkt über das Und-Glied 14 auf die Zündschaltung 13 ein· Zunächst soll die Aufmagnetisierung des Dauermagneten 18 beschrieben werden·

Die Thyristoren 5 und 6 werden durch fortlaufende Zündimpulse gezündet· Am Komparator 10 wird die Strom-Sollwert-Amplitude so hoch vorgegeben, daß diese eine Feldstärke hervorrufen kann, die den Dauermagneten 18 aufmagnetisiert. Da der Strom i_ist noch Null ist, liegt am Ausgang des Komparators 10 L-Signal und demzufolge auch am Ausgang des monostabilen Multivibrators* Am Ausgang des Negators 15 und damit am Eingang des Und-Gliedes 14 liegt dann ein Η-Signal an· Wird zum Zeitpunkt tj, der Befehl zur Impulszündung auf den 2· Eingang des Und-Gliedes 14 gegeben, so ist die Und-Bedingung erfüllt, wodurch die Zündschaltung 13 den Thyristor-Gleichstromschalter 3 einschaltet· Der Strom im Leistungskreis steigt nun nach einer θ-Funktion an, so daß der Impuls 19, Fig. 2, eingeleitet wird· Beträgt i. = i ,,, so gibt der Komparator im Zeitpunkt t₂ ein Η-Signal auf den monostabilen Multivibrator 11· Dieser wiederum gibt über eine Zeit, die langer als die größtmögliche Impulszeit ist, ein Η-Signal auf den Negator 15 und Zündschaltung 12· Letztere sperrt sofort, d, h· innerhalb einiger 1Ou s den Thyristor-Schalter 3. Gleichzeitig wird über den Negator und das Und-Glied 14 die Zündschaltung 13 blockiert, so daß auch bei weiter anstehendem Befehl "Impulszündung" keine erneute Zündung erfolgen kann· Der Strom im Elektromagneten 16 klingt nun, sowie das der Impuls 19 zeigt, nach einer e-Funktion über die Freilaufdiode 9 aus· Nach der Laufzeit des monostabilen Multivibrators 11 erhält der vom Negator 15 gesteuerte Eingang des Und-Gliedes 14 wieder Η-Signal, wodurch dieses für die Aufnahme eines erneuten Befehls "Impulszündung·· bereit ist· Zum Abmagnetisieren werden statt der Thyrisoten 5 und 6 die Thyristoren 7 und 8 gezündet, so daß der Strom in der entgegengesetzten Richtung durch die Spule des Elektromagneten 16 fließt· Der Sollwert wird zu Beginn der Abmagnetisierung ent-

sprechend niedrig dem Komparator IO vorgegeben, da sonst die Gefahr besteht, daß gleich zu weit abmagnetisiert wird. Alle weiteren Vorgänge von der Zündung bis zur Löschung des Stromes laufen vollkommen identisch mit den bei der Erzeugung der Aufmagnetisierungsimpulse beschriebenen Vorgängen ab· Durch verschiedene vorgegebene Strom- Sollwert-Amplituden können nacheinander beispielsweise die Impulse 20, 21 und 22, Fig. 2, erzeugt werden· Die gestrichelten Kurven zeigen, wie der Strom weiter verlaufen würde, wenn nicht die Löschung gemäß der Erfindung erfolgen würde·

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird anstatt des Stromes der Ist-Wert der Feldstärke mit dem Aufnehmer 23, der beispielsweise ein Hall-Element sein kann, gemessen· Die der Feldstärke proportionale Spannung wird - wenn erforderlich - in einem Verstärker 24 verstärkt und dann dem Komparator 10 als Istwert zugeführt· Der dem Komparator vorgegebene Sollwert entspricht dann dem Sollwert der Feldstärke-Amplitude. Zweckmäßig ist es, wenn man beispielsweise den Auslöser 17 zweimal nebeneinander im Elektromagneten anordnet und im zweiten Auslöser statt des Dauermagneten das Hall-Element einführt· Dieser zweite Auslöser ist dann gewissermaßen eine Kopie des zu magnetisierenden Auslösers und man mißt dadurch die Feldstärke an der maßgebenden Stelle· Die weitere Schaltung entspricht vollkommen der Fig. 1 und braucht nicht mehr erläutert werden.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß Gleichstromimpulse mit vorgewählter Amplitude i, ,, oder

soll' ^{wie sie} besonders bei der Abmagnetisierung von Dauermagneten auf einen bestimmten Arbeitspunkt notwendig sind, mit verhältnismäßig einfachen Mitteln erzeugt werden können. Dies ist möglich, da zur Impulserzeugung der natürliche Anstieg des Stromes in der Spule eines Elektromagneten - nämlich die e-Funktion - ausgenutzt wird und der ansteigende Strom gerade in dem Moment gelöscht wird, wenn die geforderte Amplitude des Stromes oder der Feldstärke vorhanden ist.

21^375

Das Verfahren benötigt keine stabilisierte Spannungsquelle für die Erzeugung des Impulsstromes· Auch der Widerstand der Spule des Elektromagneten ist ohne Einfluß auf die Impulsamplitude· Zwar kann durch Toleranzen der Spannung oder des Widerstandes im Leistungskreis der Strom langsamer oder schneller ansteigen, die erzeugte Amplitude bleibt jedoch konstant· Bestimmte Abweichungen sind natürlich möglich· Sie hängen aber nur von den Bauelementetoleranzen im Informationskreis ab· Bei Verwendung moderner Bauelemente, wie Operationsverstärker usw·, können diese Abweichungen jedoch auf unbedeutenden Werten gehalten werden«

Das Verfahren läßt sich auch leicht in automatische Einrichtungen eingliedern· In diesem Falle wird in Abhängigkeit von bestimmten Meßwerten, wie z. B. vom Auslösestrom eines im Elektromagneten befindlichen Fehlerstromauslösers, der Sollwert 11 ^00<ΘΓ h ii ⁱⁿ digitaler Form dem Komparator IO vorgegeben und dann der Impuls gezündet· Dies wird solange fortgesetzt, bis der Auslösestrom in einem geforderten Sollbereich liegt.

Claims (3)

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Erzeugung von Gleichstromimpulsen in Spulen von Elektromagneten, insbesondere zum Zwecke der Auf- und Abmagnetisierung von Dauermagneten, gekennzeichnet dadurch, daß mittels eines Gleichstromschalters (3), der vorzugsweise als Thyristorschalter ausgeführt ist, eine Gleichspannungsquelle (1) an die Spule des Elektromagneten (16) gelegt wird, wodurch der Strom in der Spule nach einer zumindest angenäherten e-Funktion ansteigt und dieser Strom, sobald er den Augenblickswert einer vorgegebenen Sollwertamplitude erreicht hat, durch den selben Schalter (3) gesperrt wird, wodurch er über eine Freilaufdiode gegen Null abklingt.

2· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Strom des Elektromagneten (16) einen Gleichstromwandler (4) durchfließt, der eine dem Augenblickswert des Stromes proportionale Spannung erzeugt, die in einem Komparator (10) mit einer der Strom-Sollwert-Amplitude proportionalen Spannung verglichen wird, wobei der Komparator (10) dann ein Löschsignal für den Gleichstromschalter abgibt, wenn der Augenblickswert des Stromes gleich dem Sollwert ist»

3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sperrung des Gleichstromschalters (3) dann erfolgt, wenn die Feldstärke zwischen den Polen des Elektromagneten (16) einen Augenblickswert erreicht, der einer vorgegebenen Feldstärke-Sollwert-Amplitude entspricht«

- Hierzu 3 Blatt Zeichnungen -