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Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zur Bestimmung einer Temperatur einer Antriebsspule in einer Antriebssteuerung, beispielsweise mit Pulsweitenmodulation, für einen elektromagnetischen Antrieb, eine Antriebssteuerung für einen elektromagnetischen Antrieb mit einer Antriebsspule und mit einer solchen Schaltanordnung zur Bestimmung einer Temperatur der Antriebsspule, sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur einer Antriebsspule in einer Antriebssteuerung mit beispielsweise pulsweitenmodulierter Steuerung für einen elektromagnetischen Antrieb. Die Erfindung ist auf alle Spulensysteme anwendbar, die mit einer einstellbaren Gleichspannung angesteuert werden.
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Bei Schaltgeräten mit elektromagnetischen Antrieben, die ein Spulensystem aufweisen, ist es für Steuervorgänge von Bedeutung, die Temperatur der Spule bzw. des Spulensystems zu kennen, da die Anzugsspule aus Kupfer besteht und sich ihr Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Die Ansteuerung von Anzugsspulen eines Schützantriebs wird in der Regel mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal durchgeführt. Dabei wird die Plusweite in Abhängigkeit der Eingangsspannung eingestellt. Das bedeutet, je höher der Widerstand des Spulensystems ist, desto größer müssen die On-Zeiten der PWM Steuerung sein, um den gleichen Strom- bzw. magnetischen Flussverlauf einstellen zu können.
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Auch für Regelsysteme kann es von Vorteil sein, die Systemtemperatur mit einzubeziehen. Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 299 09 901 U1 ist eine Antriebssteuerung bekannt, die über die jeweilige Pulsbreite der Antriebsspule eine mittlere Betätigungsspannung optimaler Größe zur Verfügung stellt.
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Darin ist eine Kompensation des Temperaturgangs des Spulenwiderstands während des Anzugsvorgangs durch Verstärkerschaltungen mit temperaturabhängigem Verstärkungsfaktor vorgesehen, insbesondere unter Verwendung von mit PTC-Widerständen beschalteten Operationsverstärkern. Damit wird die Pulsbreite der mittleren Betätigungsspannung zusätzlich unter Berücksichtigung der Wicklungstemperatur der Antriebsspule gesteuert.
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Ein Nachteil besteht darin, dass die mit einem temperaturabhängigen Widerstand auf der Platine bestimmte Temperatur nur bedingt die tatsächliche Temperatur in der Spule wiedergibt. Das Ergebnis ist lediglich eine Annäherung an die tatsächliche Temperatur in der Spule, das von der thermischen Kopplung zwischen Spule, Verguss, Leiterplatte und Sensor beeinflusst wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Temperatur im Spulensystem mit größerer Genauigkeit zu bestimmen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben und ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße Schaltanordnung zur Bestimmung einer Temperatur einer Antriebsspule in einer Antriebssteuerung für einen elektromagnetischen Antrieb weist zur Bestimmung der Temperatur der Antriebsspule eine zusätzliche Spule als Messspule auf, wobei die Antriebsspule und die zusätzliche Spule derart auf einen Spulenkörper gewickelt sind, dass die Antriebsspule und die zusätzliche Spule thermisch gekoppelt sind. Thermisch gekoppelt im Sinne der Erfindung bedeutet, dass eine Wärmeübertragung zwischen der Antriebsspule und der zusätzlichen Spule ermöglicht wird, die Wicklungen also nicht durch thermische Isolierungen getrennt angeordnet sind. Insbesondere sind die Antriebsspule und die zusätzliche Spule zu einer Spule mit doppelter Wicklung vereinigt.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltanordnung besteht darin, dass durch die thermische Kopplung der Spulen die Temperatur unmittelbar in der Spule bestimmt wird, wodurch Einflüsse durch Wärmeübertragungseigenschaften zwischen Messpunkt und Antriebsspule ausgeschlossen werden. Durch die verbesserte Genauigkeit der Temperaturbestimmung können Steuer- oder Regelvorgänge genauer ablaufen. Dies trägt vorteilhaft zur Produktqualität bei allen Schaltgeräten mit elektromagnetischen Antrieben, die ein Spulensystem aufweisen, bei. Weiterhin kann dies deren Lebensdauer erhöhen, da beispielsweise bei Schützen die mechanischen Belastungen verringert werden, wenn das Schalten mit optimalen Parametern erfolgt. Die erfindungsgemäße Schaltanordnung kann vorteilhaft auch bei allen Spulensystemen angewandt werden, die mit einer einstellbaren Gleichspannung angesteuert werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltanordnung besteht darin, dass die Temperatur nicht an einer einzelnen Stelle der Antriebsspule gemessen wird, sondern dass eine mittlere Temperatur der Antriebsspule bestimmt wird, so dass sogenannte Hotspots eliminiert werden und das Ergebnis nicht verfälschen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zusätzliche Spule eine Haltespule des elektromagnetischen Antriebs ist. Vor bzw. während des Anzugvorgangs der Antriebsspule wird die Haltespule nicht benötigt und kann so vorteilhaft als Messspule verwendet werden.
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Zur Durchführung der Messung ist bevorzugt ein Messwiderstand seriell mit der zusätzlichen Spule verbunden. Weiterhin bevorzugt ist ein Schalter vorgesehen, wobei durch Schließen des Schalters die zusätzliche Spule an eine Spannungsquelle anlegbar ist. Die Spannung ist so zu wählen, dass der resultierende Strom zu schwach ist, um den Antrieb in Bewegung zu versetzen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebssteuerung für einen elektromagnetischen Antrieb, insbesondere für einen Schützantrieb, mit einer Antriebsspule und mit einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung zur Bestimmung einer Temperatur der Antriebsspule, wie zuvor beschrieben. Die Steuerung erfolgt bevorzugt über ein pulsweitenmoduliertes Signal.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur einer Antriebsspule in einer Antriebssteuerung mit pulsweitenmodulierter Steuerung für einen elektromagnetischen Antrieb, wobei eine zusätzliche Spule als Messspule verwendet wird, wobei die Antriebsspule und die zusätzliche Spule thermisch gekoppelt werden, indem die Antriebsspule und die zusätzliche Spule gemeinsam auf einen Spulenkörper gewickelt werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die thermische Kopplung der Spulen die Temperatur unmittelbar in der Spule bestimmt wird, wodurch Einflüsse durch Wärmeübertragungseigenschaften zwischen Messpunkt und Antriebsspule ausgeschlossen werden. Die Temperatur wird dadurch nicht an einer einzelnen Stelle der Antriebsspule gemessen, sondern es wird eine mittlere Temperatur der Antriebsspule bestimmt, wodurch das Ergebnis durch Hotspots nicht verfälscht wird. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Spannung UB an die zusätzliche Spule angelegt wird, wobei ein daraus resultierender Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule nicht ausreicht, um den elektromagnetischen Antrieb in Bewegung zu setzen. Weiterhin bevorzugt ist vorgesehen, dass ein resultierender Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule durch Abgreifen einer Messspannung UM an einem seriell mit der zusätzlichen Spule verbundenen Messwiderstand RM bestimmt wird, während die Spannung UB an der zusätzliche Spule anliegt. Weiterhin bevorzugt wird ein temperaturabhängiger Realteil RS einer Impedanz ZS bei dem resultierenden Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule bestimmt und die Temperatur der zusätzlichen Spule berechnet. Die Temperatur der Antriebsspule entspricht der Temperatur der zusätzlichen Spule.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Variante erfolgt das Abgreifen der Messspannung UM zu einem Zeitpunkt tR, zu dem ein imaginärer Anteil XS der Impedanz ZS bei einem resultierenden Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule nicht mehr wirkt. In diesem Fall lässt sich die Temperatur der Spule vorteilhaft in einfacher Weise berechnen. Voraussetzung hierfür ist, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um den Stromfluss in der Spule bis annähernd zu seinem Endwert ansteigen zu lassen. Dies ist in der Regel nach der fünffachen Zeit der Zeitkonstante der Spule, der Fall.
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In Anwendungsfällen, in denen weniger Zeit zur Messung zur Verfügung steht, ist eine zweite Variante vorteilhaft anwendbar, wonach das Abgreifen der Messspannung UM zu einem früheren Zeitpunkt tX < tR erfolgt, zu dem ein imaginärer Anteil XS der Impedanz ZS bei einem resultierenden Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule noch wirkt. Zur Berechnung der Temperatur sind folgende zwei Varianten denkbar: Die abgegriffene Messspannung UM wird mit Referenzspannungen verglichen, denen bestimmte Referenztemperaturen zugeordnet sind und die Temperatur der zusätzlichen Spule wird durch Interpolation anhand des Verhältnisses der abgegriffenen Messspannung UM zu den Referenzspannungen bestimmt. Oder das Abgreifen der Messspannung UM erfolgt über einen Zeitraum, während dessen ein imaginärer Anteil XS der Impedanz ZS bei einem resultierenden Stromfluss IS durch die zusätzliche Spule noch wirkt, wobei ein Zeitpunkt tL bestimmt wird, zu dem die abgegriffene Messspannung UM ein bestimmtes Abtastlevel UL erreicht, wobei der Zeitpunkt tL mit Referenzzeitpunkten verglichen wird, denen bestimmte Referenztemperaturen zugeordnet sind und wobei die Temperatur der zusätzlichen Spule und somit die Temperatur der Antriebsspule durch Interpolation anhand des Verhältnisses des Zeitpunkts tL zu den Referenzzeitpunkten bestimmt wird. Ein Vorteil der ersten Variante besteht darin, dass die Temperatur durch lineare Interpolation bestimmbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen gelten für die erfindungsgemäßen Schaltanordnung und Antriebssteuerung ebenso, wie für das erfindungsgemäße Verfahren. Der allgemeine Erfindungsgedanke wird durch das Ausführungsbeispiel nicht beschränkt.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß Schaltanordnung und
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2 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltanordnung zur Bestimmung einer Temperatur einer Antriebsspule in einer Antriebssteuerung für einen elektromagnetischen Antrieb schematisch dargestellt. Diese weist zur Bestimmung der Temperatur der Antriebsspule (nicht dargestellt) eine zusätzliche Spule 10 als Messspule auf, wobei die Antriebsspule und die zusätzliche Spule 10 derart auf einen Spulenkörper gewickelt sind, dass die Antriebsspule und die zusätzliche Spule 10 thermisch gekoppelt sind. Ein Messwiderstand RM ist seriell mit der zusätzlichen Spule 10 verbunden. Ein Schalter S ist vorgesehen, um im geschlossenen Zustand die zusätzliche Spule 10 an eine Spannungsquelle UB anzulegen. Im offenen Zustand des Schalters S ist die zusätzliche Spule 10 mit einem Freilaufkreis 11 verbunden.
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Wird vor dem Anzugsvorgang die Haltespule 10, die hier als zusätzliche Spule dient, durch schließen des Schalters S, an die Spannung UB angelegt, fließt ein Strom IS durch die Impedanz ZS der Haltespule 10 und den Messwiderstand RM. Der resultierende Strom IS ist zu schwach, um den Antrieb in Bewegung zu versetzen. Mittels des Messwiderstands RM kann der Strom IS durch die Haltespule 10 aus dem messbaren Spannungsabfall UM bestimmt werden.
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Die Impedanz ZS setzt sich aus dem Realteil RS und dem imaginären Anteil XS zusammen. Dadurch, dass die Spannung US als UB – UM bekannt ist, kann aus den Parametern Strom IS und Spannung US der Widerstand RS der Spule 10 bestimmt werden. Für den Fall, dass für die Messung genügend Zeit zur Verfügung steht, kann abgewartet werden, bis der imaginäre Anteil XS nicht mehr wirkt. Das ist dann der Fall wenn der Grenzwert für XS für Zeiten größer als die fünffache Zeitkonstante gegen Null geht, wobei die Zeitkonstante der Quotient aus Induktivität L und Drahtwiderstand RL einer Spule ist. Dann gilt für den Strom IS = UM/RM und für den Spulenwiderstand RS = US/IS.
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Mit diesem Werten lässt sich auf die Temperaturdifferenz DT zu 20°C schließen und somit auch auf die aktuelle Spulentemperatur T: DT = (RS(T)/R20 – 1)/αCU, wobei R20 der Drahtwiderstand von Kupferdraht bei 20°C ist und αCU der Temperaturkoeffizient von Kupfer. Sollte durch die verwendeten Bauteile die Zeitkonstante zu groß sein, kann auch das dynamische Verhalten untersucht werden. Da der Rechenaufwand für kleinere Prozessoren zu groß wäre, um die kompletten Spannungsverläufe am Messwiderstand RM zu analysieren, reicht es aus, zu einer definierten aber willkürlich wählbaren Zeit oder Spannung die entsprechenden Parameter zu bestimmen.
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Dazu werden mit Bezug auf das Diagramm in 2 zwei Verfahren beschrieben. In dem Diagramm ist die gemessene Spannung UM über den Messwiderstand RM auf der Ordinate 101 über der Zeit in Zeitkonstanten auf der Abszisse 100 angegeben. Die abgebildeten Spannungsverläufe 12, 13, 14, 15, 16, 17 entsprechen in der angegebenen Reihenfolge einem Spannungsverlauf bei –20°C, 0°C, 20°C, 40°C, 60°C und 80°C.
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Bei dem ersten Verfahren werden die Messwerte zu einem bestimmten Zeitpunkt tX genommen, der durch die Linie 103 dargestellt ist. Wird zu einem bestimmten Zeitpunkt abgetastet, so wird abhängig von der Temperatur in der Messspule 10 eine Messspannung UM am Shunt RM gemessen. Die kompletten Spannungsverläufe 12, 13, 14, 15, 16, 17 sind in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. In der Entwicklung, beispielsweise eines Schützes, kann durch Bestimmung von beispielsweise zwei Spannungsverläufen 13, 17 und durch Messen der Spannungswerte UM zum Abtastzeitpunkt tX eine lineare Funktion ermittelt werden, mit deren Hilfe auf die Temperatur zurückgeschlossen werden kann. Diese Spannungsverläufe 13, 17 können willkürlich gewählt sein. Sie sollten vorzugsweise möglichst weit entfernt liegen bzw. an den entsprechenden Grenzen des Temperaturbereiches liegen. Zum Beispiel könnten der Spannungsverlauf 13 bei 0°C und der Spannungsverlauf 17 bei 80°C Spulentemperatur verwendet werden. In dem Diagramm ist die eineinhalbfache Zeitkonstante als Zeitpunkt tX gewählt, bei dem eine Messung durchgeführt werden soll.
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Für die Messspannung UM bei der Temperatur T in der Spule 10 gilt dann UM(T) = (U0°C – U80°C)·T/(0°C – 80°C) + U0°C, und die Temperatur T ergibt sich zu T = (UM(T) – U0°C)·(0°C – 80°C)/(U0°C – U80°C). Diese einfache lineare Funktion kann leicht in einem Prozessor verarbeitet werden.
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Bei dem zweiten Verfahren wird derjenige Zeitpunkt tL bestimmt, zu dem ein bestimmter Messlevel oder Abtastlevel der UL der Messspannung UM erreicht wird, der durch die Linie 104 in dem Diagramm angegeben ist. Die Messspannung UM über dem Messwiderstand RM wird überwacht und die Zeit tL gemessen, die benötigt wird, um das Überwachungsniveau UL zu übersteigen. Auch hier kann, wie bei dem ersten Verfahren, eine Funktion ermittelt werden, mit deren Hilfe auf die Temperatur in der Messspule 10 zurückgerechnet werden kann. Diese Funktion wird allerdings nicht-linear sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zusätzliche Spule, Messspule, Haltespule
- 11
- Freilaufkreis
- 12
- Spannungsverlauf
- 13
- Spannungsverlauf
- 14
- Spannungsverlauf
- 15
- Spannungsverlauf
- 16
- Spannungsverlauf
- 17
- Spannungsverlauf
- 100
- Abszisse
- 101
- Ordinate
- 103
- Linie
- 104
- Linie
- S
- Schalter
- RM
- Messwiderstand
- UB
- Anschlussspannung
- US
- Spannungsabfall über der Spule
- UM
- Spannungsabfall über dem Messwiderstand
- IS
- Stromfluss
- XS
- Imaginärteil, Blindwiderstand der Spule
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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