DE10158316B4

DE10158316B4 - Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kontakts und hiermit korrespondierende Auswerteschaltung

Info

Publication number: DE10158316B4
Application number: DE10158316A
Authority: DE
Inventors: Peter Heider; Diethard Runggaldier; Bernhard Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-11-28
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: NO20042712L; US7224287B2; EP1449226B1; WO2003049128A1; DE10158316A1; NO325959B1; DE50209682D1; US20050007254A1; EP1449226A1

Abstract

Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kontakts (2), über den eine an einem Eingang (2a) des Kontakts (2) anliegende Eingangsspannung (UL) über ein bewegliches Schaltstück (2c) auf einen Ausgang (2b) des Kontakts (2) durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist, wobei eine zwischen dem Eingang (2a) und dem Ausgang (2b) abfallende Kontaktspannung erfasst wird, wobei anhand der erfassten Kontaktspannung zumindest ermittelt wird, ob zwischen dem Schaltstück (2c) und dem Eingang (2a) bzw. dem Ausgang (2b) ein Lichtbogen auftritt, und wobei bei einem längeren Auftreten eines Lichtbogens ein dem Kontakt (2) vorgeordneter Kontakt geöffnet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kontakts, über den eine an einem Eingang des Kontakts anliegende Eingangsspannung über ein bewegliches Schaltstück auf einen Ausgang des Kontakts durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist, wobei eine zwischen dem Eingang und dem Ausgang abfallende Kontaktspannung erfasst wird und anhand der erfassten Kontaktspannung zumindest ermittelt wird, ob zwischen dem Schaltstück und dem Eingang bzw. dem Ausgang ein Lichtbogen auftritt. Sie betrifft ferner eine korrespondierende Auswerteschaltung.
Ein derartiges Bestimmungsverfahren und die korrespondierende Auswerteschaltung ist z. B. aus der DE 40 28 721 C2 bekannt. Sie wird bei elektromagnetischen Schaltgeräten, insbesondere bei Schützen und Trennschaltern, eingesetzt, um den Kontaktabbrand des Kontakts ermitteln zu können.
Aus der US-A-5 455 733 ist ein Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kontakts bekannt, über den eine an einem Eingang des Kontakts anliegende Eingangsspannung über ein bewegliches Schaltstück auf einen Ausgang des Kontakts durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist. Dabei wird eine zwischen dem Eingang und dem Ausgang abfallende Kontaktspannung erfasst und daraus ermittelt, ob die Eingangsspannung auf den Ausgang durchgeschaltet ist oder nicht. Bei einer Fehlfunktion des Kontakts wird ein dem Kontakt vorgeordneter Kontakt (Sicherheitsschalter) geöffnet.
Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 199 44 461 C1 bekannt.
In der älteren, nicht vorveröffentlichten DE 100 25 276.1 ist ein Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kon takts beschrieben, über den eine an einem Eingang des Kontakts anliegende Eingangsspannung über ein bewegliches Schaltstück auf einen Ausgang des Kontakts durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist. Auch hier wird eine zwischen dem Eingang und dem Ausgang abfallende Kontaktspannung erfasst und anhand der erfassten Kontaktspannung ermittelt, ob die Eingangsspannung vom Eingang abgeschaltet ist oder nicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bestimmungsverfahren und eine hiermit korrespondierende Auswerteschaltung zu schaffen, mittels derer der Kontakt sicherer betreibbar ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem längeren Auftreten eines Lichtbogens ein dem Kontakt vorgeordneter Kontakt geöffnet wird. Denn dadurch kann eine Beschädigung des Kontakts durch den Lichtbogen vermieden werden.
Vorteilhafte Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt in Prinzipdarstellung die einzige
1 einen Kontakt mit einer Auswerteschaltung.
Gemäß 1 ist eine Last 1 über einen Kontakt 2 an eine Last- oder Eingangsspannung UL anschaltbar. Der Kontakt 2 weist einen Eingang 2a und einen Ausgang 2b auf. Am Eingang 2a liegt die Lastspannung UL permanent an. Vom Ausgang 2b hingegen ist sie abschaltbar. Das Durchschalten bzw. Abschalten der Lastspannung UL auf den bzw. vom Ausgang 2b erfolgt über ein bewegliches Schaltstück 2c.
Eine Spannungserfassungsschaltung 3 ist über Erfassungswiderstände R1 mit Erfassungspunkten 4 verbunden. Je einer der Erfassungspunkte 4 ist dabei bezüglich des Kontakts 2 eingangs- und ausgangsseitig angeordnet. Über die Erfassungswiderstände R1 ist die Spannungserfassungsschaltung 3 mit den Erfassungspunkten 4 hochohmig, aber galvanisch permanent verbunden.
Die Erfassungswiderstände R1 weisen Widerstandswerte auf, die typisch im Bereich oberhalb 1 MΩ liegen, z. B. bei 3 bis 10 MQ. Vorzugsweise weisen sie gleiche Widerstandswerte auf.
Die Spannungserfassungsschaltung 3 ist als Operationsverstärker 3 ausgebildet. Sie weist einen invertierenden Signaleingang 5, einen nichtinvertierenden Signaleingang 6 und einen Signalausgang 7 auf. Dem Operationsverstärker 3 wird eine Versorgungsspannung U0 zugeführt.
Die Signaleingänge 5, 6 sind über die Erfassungswiderstände R1 mit den Erfassungspunkten 4 verbunden. Der invertierende Signaleingang 5 ist ferner über einen Kondensator C und einen Beschaltungswiderstand R2 mit dem Signalausgang 7 verbunden. Der Kondensator C und der Beschaltungswiderstand R2 sind dabei ersichtlich parallel zueinander angeordnet. Der nicht in vertierende Signaleingang 6 ist ferner über einen weiteren Beschaltungswiderstand R2' und einen weiteren Kondensator C' mit einer Referenzspannung UR verbunden. Die Referenzspannung UR ist prinzipiell beliebig wählbar. Vorzugsweise aber beträgt sie die Hälfte der Versorgungsspannung U0.
Die Beschaltungswiderstände R2, R2' sind erheblich kleiner als die Erfassungswiderstände R1. Ihre Widerstandswerte sind typisch im Bereich unter 10 kΩ, z. B. bei 1 bis 5 kΩ. Vorzugsweise weisen sie untereinander gleiche Widerstandswerte auf. Die Kondensatoren C, C' weisen vorzugsweise eine relativ kleine Kapazität auf, z. B. 10 bis 470 nF.
Der invertierende Signaleingang 5 ist über zwei antiparallel zueinander geschaltete Dioden 8 mit der Referenzspannung UR verbunden. Ferner ist auch der nichtinvertierende Signaleingang 6 über zwei weitere, zueinander antiparallel geschaltete Dioden 9 mit der Referenzspannung UR verbunden. Die Dioden 8, 9 sind vorzugsweise gleich zueinander ausgebildet.
Aufgrund der Beschaltung des Operationsverstärkers 3 liegt bei durchgeschalteter Eingangsspannung UL am Signalausgang 7 des Operationsverstärkers 3 die Referenzspannung UR an. Ist die Eingangsspannung UL hingegen von dem Ausgang 2b abgeschaltet, fällt über dem Kontakt 2 die volle Eingangsspannung UL ab. Hierdurch wird das am Signalausgang 7 abgegebene Signal deutlich nach oben oder unten (je nach Vorzeichen der Eingangsspannung UL) verschoben. Tritt hingegen zwischen dem Schaltstück 2c und dem Eingang 2a oder zwischen dem Schaltstück 2c und dem Ausgang 2b ein Lichtbogen auf, so fällt über dem Kontakt 2 nur eine Lichtbogenspannung in der Höhe von wenigen Volt ab. Der Großteil der Lastspannung UL wird in diesem Fall somit weiterhin an die Last 1 weitergeleitet.
Zur Unterscheidung dieser drei Zustände – Eingangsspannung UL auf den Ausgang 2b durchgeschaltet, Eingangsspannung UL vom Ausgang 2b abgeschaltet und Auftreten eines Lichtbogens – sind dem Signalausgang 7 zwei Fensterkomparatoren 10, 11 nachgeordnet.
Dem einen Fensterkomparator 10 werden zwei Vergleichsspannungen U1, U2 zugeführt. Die beiden Vergleichsspannungen U1, U2 liegen geringfügig oberhalb bzw. unterhalb der Referenzspannung UR. Der Fensterkomparator 10 liefert ein positives Ausgangssignal, wenn die am Signalausgang 7 des Operationsverstärkers 3 abgegebene Spannung innerhalb des durch die Vergleichspannungen U1, U2 definierten Spannungsfensters liegt. Ansonsten liefert er ein Nullsignal. Die Vergleichsspannungen U1, U2 sind dabei derart gewählt, dass der Fensterkomparator 10 nur dann ein positives Ausgangssignal liefert, wenn die Eingangsspannung UL lichtbogenfrei auf den Ausgang 2b durchgeschaltet ist. Bereits bei Abfallen nur der Lichtbogenspannung hingegen liefert der Fensterkomparator 10 ein Nullsignal.
Der Fensterkomparator 11 entspricht von seiner Wirkungsweise her dem Fensterkomparator 10. Ihm werden aber Vergleichspannungen U3, U4 zugeführt, die weiter oberhalb bzw. unterhalb der Referenzspannung UR liegen als die Vergleichsspannungen U1, U2. Der Fensterkomparator 11 liefert daher nur dann ein Nullsignal, wenn der Kontakt 2 vollständig geöffnet ist, die Lastspannung UL also vollständig vom Ausgang 2b abgeschaltet ist. Wenn hingegen über dem Kontakt 2 die Lichtbogenspannung abfällt oder der Kontakt 2 vollständig geschlossen ist, liefert er ein positives Ausgangssignal.
Die Ausgangssignale der beiden Fensterkomparatoren 10, 11 werden einer Zustandsermittlungsschaltung 12 zugeführt. Anhand der zugeführten Ausgangssignale der Fensterkomparatoren 10, 11 ermittelt dann die Zustandsermittlungsschaltung 12 den Schaltzustand des Kontakts 2. Liefern beide Fensterkomparatoren 10, 11 ein positives Ausgangssignal, ist die Eingangsspannung UL auf den Ausgang 2b durchgeschaltet. Liefern beide Fensterkomparatoren 10, 11 ein Nullsignal, ist die Eingangs spannung UL vom Ausgang 2b abgeschaltet. Liefert der Fensterkomparator 10 ein Nullsignal, der Fensterkomparator 11 hingegen ein positives Ausgangssignal, tritt zwischen dem Schaltstück 2c und dem Eingang 2a und/oder zwischen dem Schaltstück 2c und dem Ausgang 2b ein Lichtbogen auf.
Anhand des so bestimmten Schaltzustands ermittelt die Zustandsermittlungsschaltung 12 ein Signal. Ferner übermittelt sie bei jeder Änderung der von den Fensterkomparatoren 10, 11 übermittelten Ausgangssignale, also der Neuermittlung des Signals, ein Ansteuersignal an einen Zeitgeber 13. Der Zeitgeber 13 wird hierdurch auf den Wert 0 gesetzt und gestartet. Wenn der Zeitgeber 13 eine Zeitgrenze T erreicht, übermittelt er ein Triggersignal an die Zustandsermittlungsschaltung 12 zurück. Das Ablaufen des Zeitgebers 13, also das Erreichen der Zeitgrenze T, hat die Bedeutung, dass der von der Zustandsermittlungsschaltung 12 bestimmte Schaltzustand für längere Zeit derselbe ist, das Signal also für längere Zeit denselben Wert angenommen hat. In diesem Fall wird das ermittelte Signal von der Zustandsermittlungsschaltung 12 ausgegeben.
Zum einen wird von der Zustandsermittlungsschaltung 12 ein Signalgeber 14, z. B. eine Leuchtdiode 14 angesteuert. Leuchtet die Leuchtdiode 14, so entspricht dies dem Schaltzustand, dass die Eingangsspannung UL auf den Ausgang 2b durchgeschaltet ist. Ist die Leuchtdiode 14 ausgeschaltet, ist die Eingangsspannung UL vom Ausgang 2b getrennt. Blinkt die Leuchtdiode 14, so ist ein Lichtbogen aufgetreten. Das Signal wird also von der Zustandsermittlungsschaltung in einer Form ausgegeben, in der es von einem Menschen mit einem seiner Sinnensorgane unmittelbar wahrnehmbar ist.
Ergänzend oder zusätzlich kann das Signal von der Zustandsermittlungsschaltung 12 an eine Steuereinheit 15 weitergeleitet werden. Die Steuereinheit 15 ist eine übergeordnete Steuereinheit 15. Mit ihr ist insbesondere der Kontakt 2 steuerbar.
Gemäß dem oben stehend erläuterten Beispiel wird von der Zustandsermittlungsschaltung 12 der Schaltzustand selbst als Signal ausgegeben. Es ist aber auch denkbar, dass von der übergeordneten Steuereinheit 15 ein Sollzustand für den Kontakt 2 an die Zustandsermittlungsschaltung 12 übermittelt wird. In diesem Fall kann die Zustandsermittlungsschaltung 12 beispielsweise den von ihr bestimmten Schaltzustand des Kontakts 2 mit dem Sollschaltzustand vergleichen und daraus als Signal ein Fehlersignal ermitteln. Auch hier kann das Signal wieder an den Signalgeber 14 und die übergeordnete Steuereinheit 15 übermittelt werden. Blinken der Leuchtdiode 14 kann beispielsweise einen Fehlerfall bedeuten, Nichtansteuern der Leuchtdiode 14 ordnungsgemäßes Funktionieren, also ein Übereinstimmen von Sollschaltzustand und bestimmtern Schaltzustand.
Mittels der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung ist auf einfache, kostengünstige und sichere Weise der Schaltzustand des Kontakts direkt bestimmbar. Die in der Auswerteschaltung auftretende Verlustleistung ist dabei vernachlässigbar.

Claims

Bestimmungsverfahren für einen Schaltzustand eines Kontakts (2), über den eine an einem Eingang (2a) des Kontakts (2) anliegende Eingangsspannung (UL) über ein bewegliches Schaltstück (2c) auf einen Ausgang (2b) des Kontakts (2) durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist, wobei eine zwischen dem Eingang (2a) und dem Ausgang (2b) abfallende Kontaktspannung erfasst wird, wobei anhand der erfassten Kontaktspannung zumindest ermittelt wird, ob zwischen dem Schaltstück (2c) und dem Eingang (2a) bzw. dem Ausgang (2b) ein Lichtbogen auftritt, und wobei bei einem längeren Auftreten eines Lichtbogens ein dem Kontakt (2) vorgeordneter Kontakt geöffnet wird.
Auswerteschaltung für einen Schaltzustand eines Kontakts (2), über den eine an einem Eingang (2a) des Kontakts (2) anliegende Eingangsspannung (UL) über ein bewegliches Schaltstück (2c) auf einen Ausgang (2b) des Kontakts (2) durchschaltbar bzw. von ihm abschaltbar ist, wobei von der Auswerteschaltung eine über dem Kontakt (2) abfallende Kontaktspannung erfasst wird, wobei von der Auswerteschaltung anhand der erfassten Kontaktspannung zumindest ermittelbar ist, ob zwischen dem Schaltstück (2c) und dem Eingang (2a) bzw. dem Ausgang (2b) ein Lichtbogen auftritt, wobei von der Auswerteschaltung bei einem längeren Auftreten eines Lichtbogens ein Öffnungssignal an einen dem Kontakt (2) vorgeordneten Kontakt abgebbar ist.