DE102008018260A1

DE102008018260A1 - Steuergerät für einen elektromechanischen Antrieb und Verfahren zum Betreiben eines elektromechanischen Antriebs

Info

Publication number: DE102008018260A1
Application number: DE102008018260A
Authority: DE
Inventors: Norbert Mitlmeier; Christian Oppermann; Bernhard Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-08

Abstract

Ein Steuergerät für einen elektromechanischen Antrieb (6), enthält einen Eingang (2) für eine Steuerspannung (US) und einen Ausgang (4) zum Anschluss des Antriebs (6), einen mit dem Ausgang (4) verbundenen Stromsensor (10) zur Messung der Stromstärke eines durch den Antrieb (6) fließenden Stromes (I), einen mit dem Ausgang (4) verbundenen Schalter (14) zur Unterbrechung des zum Antrieb (6) fließenden Stromes, einen ersten Energiespeicher zur Versorgung des Antriebs (6) nach Wegfall der Steuerspannung (US), eine den Schalter (14) ansteuernde Steuereinheit (18) und einen zweiten Energiespeicher zur Versorgung der Steuereinheit (18) nach Wegfall der Steuerspannung (US). Bei einem Verfahren zum Betreiben eines von einer Steuerspannung (US) betreibbaren elektromechanischen Antriebs (6), versorgg durch den Energiespeicher die Stromstärke eines durch den Antrieb (6) fließenden Stromes misst, eine Steuereinheit (18) jeweils einen zwischen dem Energiespeicher und einem Ausgang (4) für den Antrieb (6) angeordneten Schalter (14) für eine Unterbrechungsdauer (T) öffnet, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert (S1) übersteigt, die Steuereinheit (18) jeweils nach Ende der Unterbrechungsdauer (T) den Schalter (14) wieder schließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen elektromechanischen Antrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines von einer Steuerspannung betreibbaren elektromechanischen Antriebs.
Elektrische Schaltgeräte wie beispielsweise Schütze weisen zur Durchführung der Schaltbewegung einen elektromechanischen Antrieb auf. Dieser Antrieb enthält beispielsweise eine Schätzspule, die zum Erzeugen einer Kraft von Strom durchflossen wird. Die Energie hierfür wird in der Regel von einer einzigen Spannungsversorgung, auch Steuerspannung genannt, geliefert.
Aus dem Gebrauchsmuster 295 03 146.8 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Schützes bekannt, mit der der Strom durch einen solchen elektromechanischen Antrieb durch Pulsweitenmodulation auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Diese Art den elektromechanischen Antrieb zu betreiben funktioniert jedoch nur solange die Spannungsversorgung eingeschaltet ist. Um einen elektromechanischen Antrieb auch nach Abschalten dessen Spannungsversorgung zumindest für eine gewisse Zeit weiter betreiben zu können, kann hierfür ein Energiespeicher, z. B. ein Kondensator verwendet werden. Dieser Kondensator wird während des Betriebs des elektromechanischen Antriebs über dessen Spannungsversorgung, also die Steuerspannung, aufgeladen und gibt nach Wegfall der Spannungsversorgung seine Energie an den elektromechanischen Antrieb ab. Die dadurch erzielbare weitere Betriebszeit des elektromechanischen Antriebs hängt dabei von der Größe der Kapazität des Kondensators ab. Wird eine lange weitere Betriebszeit des elektromechanischen Antriebs benötigt, weil dieser beispielsweise nach Wegfall der Spannungsversorgung in eine vorgegebene Endstellung fahren soll, ist eine entsprechend große Kapa zität erforderlich. Dies führt wiederum dazu, dass der Kondensator eine entsprechende Baugröße aufweist. Dabei kann es zu Problemen kommen, einen solchen Kondensator bei beengten Platzverhältnissen innerhalb des Steuergerätes unterzubringen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem die oben genannten Probleme vermieden werden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Steuergerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Danach weist ein Steuergerät für einen elektromechanischen Antrieb einen Eingang für eine Steuerspannung und einen Ausgang zum Anschluss des elektromechanischen Antriebs auf. Mit dem Ausgang ist ein Stromsensor verbunden, der zur Messung der Stromstärke eines durch den an den Ausgang angeschlossenen Antrieb fließenden Stromes dient. Ebenfalls mit dem Ausgang ist ein Schalter verbunden, mit dessen Hilfe der zum Antrieb fließende Strom unterbrochen werden kann. Weiterhin weist das Steuergerät einen ersten Energiespeicher auf, der den Antrieb nach Wegfall der Steuerspannung weiter mit Strom versorgt. Durch eine Steuereinheit wird der Schalter angesteuert, also geöffnet und geschlossen. Ein zweiter Energiespeicher versorgt die Steuereinheit nach Wegfall der Steuerspannung.
Durch diese Merkmale der Erfindung wird die Kapazität des nach Wegfall der Steuerspannung den Antrieb versorgenden Energiespeichers optimal ausgenutzt. Das Volumen dieses Energiespeichers kann daher klein gehalten werden, was insbesondere bei kleinen Steuergeräten wichtig ist. Die auftretende Verlustleistung innerhalb des elektromechanischen Antriebs kann dabei klein gehalten werden, in dem durch das Aufrechterhalten eines minimalen Stromes nur soviel Energie verbraucht wird, wie der Antrieb für einen bestimmten Vorgang, etwa eines Schließvorgangs benötigt. Die Dauer dieses Vorgangs kann dabei durch die Steuereinheit beeinflusst werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stromsensor zwischen erstem Energiespeicher und dem Ausgang angeordnet. Diese Ausführungsform stellt eine besonders einfache Schaltung dar. Die Stromstärke des durch den Antrieb fließenden Stromes kann jeweils dann gemessen werden, wenn der Schalter in geschlossenem Zustand ist. Die Zeitdauer, während der der Schalter geöffnet ist, ist dabei in der Regel fest vorgegeben.
Eine Messung des aktuell im Antrieb fließenden Stromes während des geöffneten Zustands des Schalters ist nicht möglich, da dann über den Stromsensor kein Strom fließt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist deshalb ein weiterer Stromsensor in einem dem Ausgang parallel geschalteten Freilaufkreis für den Antrieb angeordnet. Die Stromstärke des durch den Antrieb fließenden Stromes kann hierbei auch dann gemessen werden, wenn sich der Schalter in geöffnetem Zustand befindet. Dadurch kann die Stromstärke exakter geregelt werden.
Auf einfache Weise kann ein Stromsensor realisiert werden, indem der Stromsensor einen Shuntwiderstand umfasst und die an dem Shuntwiderstand abfallende Spannung als Maß für die Stromstärke herangezogen wird.
Zur Realisierung des Schalters kann auf einen Transistorschalter zurückgegriffen werden.
Enthält der Transistorschalter einen Feldeffekttransistor, so erfolgt die Schaltung nahezu leistungsfrei. Dadurch benötigt die Steuereinrichtung nur wenig Energie.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiespeicher ein Kondensator.
Wenn der Energiespeicher durch die Steuerspannung aufgeladen wird, ist dieser unabhängig von einer weiteren Energiequelle und kann bei jedem erneuten Anliegen der Steuerspannung nach deren Wegfall erneut aufgeladen werden.
Mittels einer mit der Steuereinrichtung verbundenen Spannungsüberwachungsschaltung wird das Anliegen der Steuerspannung am Eingang registriert. Bei Wegfall der Steuerspannung kann die Steuereinrichtung den Schalter auf eine unterschiedliche Art und Weise, also beispielsweise mit einer geänderten Zeitdauer, während der der Schalter geöffnet wird, ansteuern, als es bei Anliegen der Steuerspannung der Fall ist.
Um ein unerwünschtes Entladen eines Energiespeichers zu verhindern, wird zwischen dem entsprechenden Energiespeicher und dem Eingang eine Entkoppeldiode angeordnet. Dadurch wird gewährleistet, dass der Energiespeicher nur das zu versorgende Element mit Strom speist, während eine Entladung in anderer Art und Weise, wie beispielsweise eine Rückentladung über den Eingang, verhindert wird.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines von einer Steuerspannung betreibbaren elektromechanischen Antriebs. Dabei versorgt nach Wegfall der am Eingang anliegenden Steuerspannung ein Energiespeicher den elektromechanischen Antrieb weiter mit Strom. Während der Stromversorgung durch den Energiespeicher misst ein mit dem Ausgang des Schaltgerätes verbundener Stromsensor die Stromstärke eines durch den Antrieb fließenden Stromes. Eine Steuereinheit öffnet jeweils, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, einen zwischen dem Energiespeicher und dem Ausgang für den Antrieb angeordneten Schalter und hält diesen für eine gewisse Zeit geöffnet. Diese Zeitspanne ist die Unterbrechungsdauer. Der Schwellwert wird hierbei nach bekannten Antriebsparametern, wie beispielsweise der Leistungsaufnahme festgelegt.
Jeweils nach Ende der Unterbrechungsdauer schließt die Steuereinheit den Schalter wieder. Somit ist eine Versorgung des Antriebs durch den Energiespeicher wieder hergestellt und der Ein-/Ausschaltzyklus des Schalters beginnt von Neuem.
Durch dieses Takten der Energieversorgung des elektromechanischen Antriebs auch nach Wegfall der Steuerspannung wird gewährleistet, dass sogar in diesem Fall die im Energiespeicher befindliche Energie optimal genutzt wird und ein Weiterbetreiben des elektromechanischen Antriebs auch nach Wegfall der Steuerspannung für eine lange Zeitdauer gewährleistet ist. Dadurch kann der Energiespeicher entsprechend klein dimensioniert werden, so dass dieser auch bei beengten Platzverhältnissen innerhalb eines Steuergerätes gut untergebracht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Unterbrechungsdauer einen fest vorgegebenen Wert. Das bedeutet, dass nach dem Öffnen des Schalters durch die Steuereinheit eine fest vorgegebene Zeit vergeht, bis der Schalter durch die Steuereinheit geschlossen wird. In diesem Fall reicht es aus, wenn ein Stromsensor vorhanden ist, der zwischen erstem Energiespeicher und dem Ausgang angeordnet ist. Die Öffnungsbedingung für den Schalter bildet dann ein vorgegebener Schwellwert der Stromstärke des durch den Antrieb fließenden Stromes, während das Schließen des Schalters durch den Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer, nämlich der Unterbrechungsdauer abhängt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Stromstärke eines durch den Antrieb fließenden Stromes zusätzlich in einem Freilaufkreis gemessen und die Unterbrechungsdauer dann beendet, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet. Das heißt, dass die Schließbedingung des Schalters nicht durch eine feste Zeit vorgegeben ist, sondern vom durch den Antrieb fließenden Strom abhängt. Die Unterbrechungsdauer kann demnach variieren. Dadurch kann der durch den Antrieb fließende Strom exakt geregelt werden und es wird somit die im Kondensator enthaltende Energie optimal genutzt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Steuergerätes,
2 einen Ausschnitt des Schaltplans aus 1 mit einem Stromsensor im Freilaufkreis für den elektromechanischen Antrieb.
In 1 ist ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen Steuergerätes abgebildet. Die Schaltung umfasst einen Eingang 2 für eine gleichgerichtete Steuerspannung U_S und einen Ausgang 4, an dem ein elektromechanischer Antrieb 6 angeschlossen ist. Parallel dem Ausgang ist eine Freilaufdiode 8 geschaltet, die mit den angeschlossenen Verbindungsleitungen zum elektromechanischen Antrieb 6 einen Freilaufkreis bildet. Mit dem Ausgang 4 ist ein Stromsensor 10 verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel einen Shuntwiderstand 12 umfasst der zur Messung der Stromstärke eines durch den Antrieb 4 fließenden Stromes I dient. Weiterhin ist mit dem Ausgang ein Schalter 14 verbunden, der zur Unterbrechung des zum Antrieb 6 fließenden Stromes dient. Als erster Energiespeicher ist in der Schaltung ein Kondenstor 16 vorhanden, der zur Versorgung des Antriebes 4 nach Wegfall der Steuerspannung U_S dient. Des weiteren ist eine Steuereinheit 18 vorhanden, mit der der Schalter 14 angesteuert wird und die nach Wegfall der Steuerspannung U_S von einem zweiten Energiespeicher, nämlich Kondensator 20 versorgt wird. Vor jedem Kondensator ist jeweils eine Entkoppeldiode 22, 24 geschaltet, die jeweils verhindern, dass sich die Kondensatoren über den Eingang 2 entladen oder sich gegenseitig beeinflussen können. Am Eingang 2 ist ferner eine Spannungsüberwachungsschaltung 26 vorhanden, die aus einem Spannungsteiler besteht, dessen Mittelabgriff mit der Steuereinheit 18 verbunden ist und mit deren Hilfe re gistriert wird, ob am Eingang 2 die Steuerspannung U_S anliegt.
Während des Normalbetriebs des elektromechanischen Antriebs 6 wird dieser über eine Steuerspannung U_S, die am Eingang 2 des Steuergerätes anliegt mit Energie versorgt. Während die Steuerspannung U_S am Eingang 2 des Steuergerätes anliegt, werden die beiden Kondensatoren 16, 20 geladen. Ein Wegfall der Steuerspannung U_S wird über die Spannungsüberwachungsschaltung 26 durch die Steuereinheit 18 registriert. Nach Wegfall der Steuerspannung U_S versorgt bei geschlossenem Schalter 14 der Kondensator 16 den elektromechanischen Antrieb 6 weiterhin mit Strom I. Die Stromstärke dieses Stromes I wird durch den Stromsensor 10 gemessen. Die entsprechenden Messwerte werden von der Steuereinheit 18 mit einem vorgegebenen Schwellwert S₁ verglichen. Wird dieser Schwellwert S₁ überschritten, so wird der Schalter 14 durch die Steuereinheit 18 geöffnet, so dass die Stromversorgung des elektromechanischen Antriebs 6 durch den Kondensator 16 unterbrochen ist. Während der Unterbrechungsdauer T arbeitet der elektromechanische Antrieb weiter. Der dabei durch den Antrieb 6 fließende Strom I fließt nunmehr durch die Freilaufdiode 8. Nach einer fest vorgegebenen Unterbrechungsdauer T wird der Schalter 14 durch die Steuereinheit 18 wiederum geschlossen. Dadurch wird die Stromversorgung des elektromechanischen Antriebs 6 durch den Kondensator 16 wieder hergestellt. Es beginnt somit ein neuer Zyklus und der Strom I durch den elektromechanischen Antrieb 6 wird wieder durch den Stromsensor 10 gemessen, die Messwerte werden von der Steuereinheit 18 mit dem Schwellwert S₁ verglichen und der Schalter 14 wird wiederum geöffnet, wenn dieser Schwellwert überschritten wurde. Dieser Zyklus wird solange durchlaufen, bis sich der Kondensator 16 entladen hat. Die Steuereinheit 18 wird während des Wegfalls der Steuerspannung U_S durch den Kondensator 20 weiterhin mit Strom I versorgt.
In 2 ist ein Ausschnitt des Schaltplans aus 1 mit einem Stromsensor im Freilaufkreis für den elektromechanischen Antrieb 6 dargestellt. Hierbei ist zusätzlich zu der in 1 dargestellten Schaltung ein weiterer Stromsensor 30, der einen Shunt 32 umfasst, innerhalb des Freilaufkreises des elektromechanischen Antriebs 6 enthalten. Auch dieser Stromsensor 30 ist mit der Steuereinheit 18 verbunden. Er ermöglicht es, dass auch während des geöffneten Zustands des Schalters 14 eine Messung der Stromstärke des durch den elektromechanischen Antrieb 6 führenden Stromes I ermöglicht wird. Ebenfalls wie bei dem in 1 dargestellten Steuergerät wird bei Ausfall der Steuerspannung U_S und Übernahme der Stromversorgung des Antriebs 6 durch den Kondensator 16 der Schalter 14 durch die Steuereinheit 18 geöffnet, wenn die Stromstärke des durch den Antrieb 6 fließenden Stromes I einen vorgegebenen Schwellwert S₁ erreicht hat.
Das folgende Betriebsverhalten der in 2 dargestellten Schaltung unterscheidet sich jedoch von dem in Verbindung mit dem erläuterten Betrieb von 1. Während des geöffneten Schalters 14 wird die Stromstärke des durch den Antrieb fließenden Stromes I durch den Stromsensor 30 gemessen. Diese Messwerte werden von der Steuereinheit 18 erfasst und mit einem vorgegebenen weiteren Schwellwert S₂ verglichen. Sobald die Stromstärke diesen Schwellwert 52 unterschreitet wird die Unterbrechungsdauer T beendet, was bedeutet, dass der Schalter 14 von der Steuereinheit 18 wieder geschlossen wird, so dass der elektromechanische Antrieb 6 wieder durch den Kondensator 16 mit Strom versorgt wird. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Kondensator 16 entladen ist. Die Unterbrechungsdauer T ist also in diesem Fall nicht fest vorgegeben, sondern hängt von der Stromstärke des durch den Antrieb 6 fließenden Stromes I ab und kann daher variieren. Durch diese im Vergleich zu 1 adaptiv vorhandene exakte Regelung des Stromes I kann die Energie des Kondensators 16 noch besser ausgenutzt werden.

Claims

Steuergerät für einen elektromechanischen Antrieb (6), mit einem Eingang (2) für eine Steuerspannung (U_S) und einem Ausgang (4) zum Anschluss des elektromechanischen Antriebs (6), mit einem mit dem Ausgang (4) verbundenen Stromsensor (10) zur Messung der Stromstärke eines durch den Antrieb (6) fließenden Stromes (I), einem mit dem Ausgang (4) verbundenen Schalter (14) zur Unterbrechung des zum Antrieb (6) fließenden Stromes, einem ersten Energiespeicher (16) zur Versorgung des Antriebs (6) nach Wegfall der Steuerspannung (U_S), einer den Schalter (14) ansteuernden Steuereinheit (18) und einem zweiten Energiespeicher (20) zur Versorgung der Steuereinheit (18) nach Wegfall der Steuerspannung (U_S).
Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem der Stromsensor (10) zwischen erstem Energiespeicher (16) und dem Ausgang (4) angeordnet ist.
Steuergerät nach Anspruch 2, bei dem der Stromsensor (30) in einem dem Ausgang (4) parallel geschalteten Freilaufkreis (8) für den Antrieb (6) angeordnet ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Stromsensor (10, 30) einen Shuntwiderstand (12, 32) zur Strommessung umfasst.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter (14) ein Transistorschalter ist.
Steuergerät nach Anspruch 5, bei dem der Transistorschalter einen Feldeffekttransistor enthält.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher (16, 20) ein Kondensator ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Energiespeicher (16, 20) durch die Steuerspannung (U_S) aufladbar ist.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine mit der Steuereinheit (18) verbundene Spannungsüberwachungsschaltung (26) für die am Eingang (2) anliegende Steuerspannung (U_S) umfasst.
Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zwischen Energiespeicher (16, 20) und Eingang (2) angeordneten Entkoppeldiode (22, 24).
Verfahren zum Betreiben eines von einer Steuerspannung (U_S) betreibbaren elektromechanischen Antriebs (6) mit folgenden Schritten: – nach Wegfall der Steuerspannung (U_S) versorgt ein erster Energiespeicher (16) den elektromechanischen Antrieb (6) weiter mit Strom (I), wobei – ein Stromsensor (10) während der Stromversorgung durch den ersten Energiespeicher (16) die Stromstärke eines durch den Antrieb (6) fließenden Stromes (I) misst, – eine Steuereinheit (18) jeweils einen zwischen dem ersten Energiespeicher (16) und einem Ausgang (4) für den Antrieb (6) angeordneten Schalter (14) für eine Unterbrechungsdauer (T) öffnet, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert (S₁) übersteigt, – die Steuereinheit (18) jeweils nach Ende der Unterbrechungsdauer (T) den Schalter (14) wieder schließt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Unterbrechungsdauer (T) einen fest vorgegebenen Wert hat.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem bei geöffnetem Schalter (14) die Stromstärke eines durch den Antrieb fließenden Stromes (I) in einem Freilaufkreis (8) gemessen wird und die Unterbrechungsdauer (T) beendet wird, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Schwellwert (S₂) unterschreitet.