DE102012208122A1

DE102012208122A1 - Schaltschütz

Info

Publication number: DE102012208122A1
Application number: DE201210208122
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Linzmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: DE102012208122B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaltschütz (1). Das Schaltschütz (1) umfasst eine Spule (4) mit einem als Permanentmagnet ausgebildeten Spulenkern, einen zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Schaltkontaktes (10) zwischen einer Halteposition und einer Rückstellposition beweglichen Schaltanker (7), auf den ein Magnetfeld der Spule (4) eine Spulenkraft ausübt, und ein Rückstellelement zur Ausübung einer Rückstellkraft, die den Schaltanker (7) bei stromloser Spule (4) von der Halteposition in die Rückstellposition bewegt und in der Rückstellposition hält. Mittels einer Steuereinheit (2) sind wenigstens zwei verschiedene Gleichspannungen in der Spule (4) einstellbar, wobei eine erste Gleichspannung eine Erregerspannung zur Erzeugung eines Erregerstroms ist, der eine den Schaltanker (7) von der Rückstellposition in die Halteposition bewegende Spulenkraft bewirkt, und eine zweite Gleichspannung eine Abschaltspannung zur Erzeugung eines Abschaltstroms ist, der dem Erregerstrom entgegen gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltschütz, das eine Spule mit einem Spulenkern umfasst.
Herkömmliche elektromechanische Schaltschütze weisen eine Spule auf, die mit einem Steuerstrom bestromt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das mechanische Kontakte in einen aktiven Zustand zum Betätigen eines oder mehrerer Schaltkontakte zieht. Nach Abschalten des Steuerstroms zieht eine Rückstellfeder die Kontakte wieder in ihre Ausgangslage zurück.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltschütz anzugeben, das insbesondere hinsichtlich seiner Schaltgeschwindigkeit und/oder hinsichtlich der zum Schalten erforderlichen Leistung gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Schaltschütz umfasst eine Spule mit einem Spulenkern, der als Permanentmagnet ausgebildet ist, eine Steuereinheit zur Einstellung einer an der Spule anliegenden Gleichspannung, einen zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Schaltkontaktes zwischen einer Halteposition und einer Rückstellposition beweglichen Schaltanker, auf den ein Magnetfeld der Spule eine Spulenkraft ausübt, und ein Rückstellelement zur Ausübung einer Rückstellkraft, die den Schaltanker bei stromloser Spule von der Halteposition in die Rückstellposition bewegt und in der Rückstellposition hält. Mittels der Steuereinheit sind wenigstens zwei verschiedene Gleichspannungen einstellbar, wobei eine erste Gleichspannung eine Erregerspannung zur Erzeugung eines Erregerstroms ist, der eine den Schaltanker von der Rückstellposition in die Halteposition bewegende Spulenkraft bewirkt, eine zweite Gleichspannung eine Abschaltspannung zur Erzeugung eines Abschaltstroms ist, der dem Erregerstrom entgegen gerichtet ist.
Die Verwendung eines Permanentmagnet als Spulenkern hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Verwendung anderer Spulenkerne, z.B. eines Eisenkerns, den Vorteil, dass dadurch der Erregerstrom reduziert werden kann, da ein Magnetfeld des Spulenkerns bereits vorhanden ist und nicht erst aufgebaut werden braucht. Dies verringert vorteilhaft insbesondere die zum Schalten des Schaltschützes erforderliche Leistung.
Die Einstellbarkeit einer Abschaltspannung zur Erzeugung eines dem Erreger- und Haltestrom entgegen gerichteten Abschaltstroms verbessert vorteilhaft die Abschalteigenschaften, insbesondere die Abschaltgeschwindigkeit, des Schaltschützes. Unter dem Abschalten des Schaltschützes wird dabei das Bewegen des Schaltankers von der Halteposition in die Rückstellposition verstanden. Da der Abschaltstrom dem Erregerstrom entgegen gerichtet ist, mindert er das Magnetfeld der Spule und damit die auf den Schaltanker wirkende Spulenkraft gegenüber dem stromlosen Zustand der Spule und ermöglicht dadurch ein schnelleres Abschalten des Schaltschützes als im stromlosen Zustand der Spule. Dabei ist die Abschaltgeschwindigkeit direkt durch die Abschaltspannung beeinflussbar.
Ein erfindungsgemäßes Schaltschütz reduziert somit die zum Schalten erforderliche Leistung und erhöht die Abschaltgeschwindigkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Schaltschützen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mittels der Steuereinheit als eine dritte Gleichspannung eine Haltespannung zur Erzeugung eines Haltestroms, der eine den Schaltanker in der Halteposition haltende Spulenkraft bewirkt und die gleiche Richtung wie der Erregerstrom hat, einstellbar ist.
Dadurch kann ein von dem Erregerstrom verschiedener, insbesondere ein gegenüber dem Erregerstrom reduzierter Haltestrom zum Halten des Schaltankers in der Halteposition eingestellt werden, so dass der Energieverbrauch zum Halten des Schaltankers in der Halteposition vorteilhaft reduziert werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Spule im Brückenzweig einer Vollbrückenschaltung angeordnet ist und über diese mittels der Steuereinheit elektrisch ansteuerbar ist.
Derartige Schaltungen sind bereits aus dem Bereich der Ansteuerung von Gleichstrommotoren, beispielsweise für Fensterheber bekannt, und erlauben somit vorteilhaft den Einsatz bereits verfügbarer und bewährter Technik zur Ansteuerung der Spule.
Dabei ist vorzugsweise in jedem Teilarm der Vollbrückenschaltung ein mittels der Steuereinheit ansteuerbares Schaltelement angeordnet.
Derartige Schaltungen ermöglichen vorteilhaft eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spule. Dadurch kann insbesondere der Haltestrom weiter reduziert werden, da der von einer pulsweitenmodulierten Haltespannung erzeugte Haltestrom im zeitlichen Mittel kleiner als ein entsprechender konstanter Haltestrom gewählt werden kann.
Die Steuereinheit ist dementsprechend vorzugsweise zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Spule über die Vollbrückenschaltung ausgebildet.
Die Schaltelemente sind dabei vorzugsweise Halbleiterbauelemente, insbesondere Feldeffekttransistoren oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode.
Dies ermöglicht die Ausführung der Vollbrückenschaltung als integrierter Schaltkreis und somit eine besonders bauraum- und energiesparende Ausführung der Vollbrückenschaltung.
Alternativ sind die Schaltelemente als elektromechanische Bauelemente, beispielsweise als Relais, ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schaltschütz einen parallel zur Vollbrückenschaltung geschalteten Speicherkondensator auf.
Ein derartig geschalteter Speicherkondensator ermöglicht vorteilhaft einerseits eine Erkennung eines Ausfalls einer Versorgungsspannung des Schaltschützes und des Erreger- und Haltestroms in der Spule und damit ein Erkennen eines Fehlerfalles und andererseits die Bereitstellung einer in dem elektrischen Feld des Speicherkondensators gespeicherten Energie zur Abschaltung des Schaltschützes.
Die Verwendung eines derartigen Speicherkondensators wird vorzugsweise mit einem mit der Steuereinheit verbundenen Kondensatorspannungsmesser zur Erfassung einer Kondensatorspannung zwischen Elektroden des Speicherkondensators kombiniert.
Dadurch kann der Ausfall einer Versorgungsspannung des Schaltschützes oder des Erregerstroms in der Spule erfasst und der Steuereinheit mitgeteilt werden, so dass die Steuereinheit in einem Fehlerfall vorteilhaft eine Abschaltung des Schaltschützes auslösen kann.
Dabei ist die Steuereinheit vorzugsweise zum Abschalten der Erregerspannung oder der Haltespannung oder zum Anschalten der Abschaltspannung ausgebildet, wenn die Kondensatorspannung einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert unterschreitet.
Auf diese Weise reagiert das Schaltschütz vorteilhaft auf einen Fehlerfall durch Abschalten des Schaltschützes, wobei der Fehlerfall durch das Unterschreiten des Spannungsschwellenwertes erkannt wird.
Die Kapazität des Speicherkondensators ist vorzugsweise in Abhängigkeit von der Induktivität der Spule derart gewählt, dass nach einem Abschalten der Haltespannung eine Kondensatorspannung zwischen Elektroden des Speicherkondensators wenigstens einmal ihr Vorzeichen wechselt.
Dadurch kann vorteilhaft ein schnelles Abschalten des Schaltschützes durch einen Abschaltstromstoß bewirkt oder unterstützt werden, der nach dem Abschalten der Haltespannung durch einen Vorzeichenwechsel der Kondensatorspannung, d.h. durch ein "Überschwingen" der Kondensatorspannung, hervorgerufen wird.
Ferner weist das Schaltschütz vorzugsweise eine der Vollbrückenschaltung und dem Speicherkondensator vorgeschaltete Diode auf.
Durch die Diode können weitere Komponenten des Schaltschützes vorteilhaft vor einer bei einer Entladung des Speicherkondensators auftretenden Überspannung geschützt werden, ohne diese Komponenten auf eine derartige Überspannung auslegen zu müssen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit einer Zeichnung näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt schematisch einen Schaltplan eines Schaltschützes.
Das Schaltschütz 1 weist eine Steuereinheit 2, eine mit der Steuereinheit 2 verbundene Vollbrückenschaltung 3 (H-Brücke) mit einer Spule 4, einen Speicherkondensator 5, eine Diode 6, einen Schaltanker 7 und ein Rückstellelement 8 für den Schaltanker 7 auf.
Die Vollbrückenschaltung 3 weist einen Brückenzweig 3.1 auf, der zwei Paare mit jeweils einem ersten Teilarm 3.2 und einem zweiten Teilarm 3.3 der Vollbrückenschaltung 3 verbindet. In dem Brückenzweig 3.1 ist die Spule 4 angeordnet. In jedem Teilarm 3.2, 3.3 ist ein Schaltelement 9 angeordnet, das als Feldeffekttransistor ausgebildet und mittels der Steuereinheit 2 ansteuerbar ist. Die Vollbrückenschaltung 3 ist als integrierter Schaltkreis ausgebildet, über den mittels der Steuereinheit 2 eine an der Spule 4 anliegende Gleichspannung pulsweitenmoduliert einstellbar ist.
Die Spule 4 weist einen Spulenkern auf, der als Permanentmagnet ausgebildet ist. Das Rückstellelement 8 ist als Rückstellfeder ausgebildet.
Der Schaltanker 7 ist zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Schaltkontaktes 10 zwischen einer Halteposition und einer Rückstellposition beweglich. Auf den Schaltanker 7 wirken eine Spulenkraft eines Magnetfeldes der Spule 4 und eine Rückstellkraft des Rückstellelementes 8.
Das Rückstellelement 8 ist derart ausgebildet, dass die Rückstellkraft den Schaltanker 7 bei stromloser Spule 4 von der Halteposition in die Rückstellposition bewegt und in der Rückstellposition hält.
Mittels der Steuereinheit 2 sind über die Vollbrückenschaltung 3 drei verschiedene an der Spule 4 anliegende Gleichspannungen einstellbar. Dabei ist eine erste Gleichspannung eine Erregerspannung zur Erzeugung eines Erregerstroms, der eine den Schaltanker 7 von der Rückstellposition in die Halteposition bewegende Spulenkraft bewirkt. Eine zweite Gleichspannung ist eine Abschaltspannung zur Erzeugung eines Abschaltstroms, der dem Erregerstrom entgegen gerichtet ist. Die dritte Gleichspannung ist eine Haltespannung zur Erzeugung eines Haltestroms, der eine den Schaltanker 7 in der Halteposition haltende Spulenkraft bewirkt und die gleiche Richtung wie der Erregerstrom hat.
Die von dem Erregerstrom und dem Haltestrom erzeugten Spulenkräfte sind also jeweils der Rückstellkraft entgegengerichtet und betragsmäßig größer als diese, um den Schaltanker 7 gegen die Rückstellkraft von der Rückstellposition in die Halteposition zu bewegen bzw. in der Halteposition zu halten.
Die Abschaltspannung dient dagegen der Unterstützung des Abschaltens des Schaltschützes 1 und ermöglicht insbesondere ein schnelleres Abschalten des Schaltschützes 1 als im stromlosen Zustand der Spule 4, wie bereits weiter oben ausgeführt wurde.
Der Speicherkondensator 5 ist parallel zur Vollbrückenschaltung 3 geschaltet. Er ist an einen mit der Steuereinheit 2 verbundenen Kondensatorspannungsmesser 11 gekoppelt, der eine Kondensatorspannung zwischen Elektroden des Speicherkondensators 5 erfasst und der Steuereinheit 2 übermittelt. Die Steuereinheit 2 ist dazu ausgebildet, ein Abschalten des Schaltschützes 1 auszulösen, wenn die von dem Kondensatorspannungsmesser 11 erfasste Kondensatorspannung einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert unterschreitet.
Die Diode 6 ist der Vollbrückenschaltung 3 und dem Speicherkondensator 5 vorgeschaltet und entkoppelt diese von weiteren (nicht dargestellten) Komponenten des Schaltschützes 1, um derartige Komponenten vor einer bei einer Entladung des Speicherkondensators 5 auftretenden Überspannung zu schützen.
In einer Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels wird ein schnelles Abschalten des Schaltschützes 1 durch einen Abschaltstromstoß bewirkt oder unterstützt, für den in dem Magnetfeld der Spule 4 gespeicherte Energie verwendet wird. Um die Umpolung des die Spule 4 durchfließenden Stroms nach Umpolen der an ihr anliegenden Spannung zu beschleunigen, kann dabei in einer weiteren Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels die Kapazität des Speicherkondensators 5 in Abhängigkeit von der Induktivität der Spule 4 derart gewählt werden, dass nach einem Abschalten der Haltespannung die Kondensatorspannung überschwingt, d.h. wenigstens einmal ihr Vorzeichen wechselt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Schaltschütz (1), umfassend – eine Spule (4) mit einem Spulenkern, wobei der Spulenkern als Permanentmagnet ausgebildet ist, – eine Steuereinheit (2) zur Einstellung einer an der Spule (4) anliegenden Gleichspannung, – einen zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Schaltkontaktes (10) zwischen einer Halteposition und einer Rückstellposition beweglichen Schaltanker (7), auf den ein Magnetfeld der Spule (4) eine Spulenkraft ausübt, – und ein Rückstellelement (8) zur Ausübung einer Rückstellkraft, die den Schaltanker (7) bei stromloser Spule (4) von der Halteposition in die Rückstellposition bewegt und in der Rückstellposition hält, – wobei mittels der Steuereinheit (2) wenigstens zwei verschiedene Gleichspannungen einstellbar sind, wobei – eine erste Gleichspannung eine Erregerspannung zur Erzeugung eines Erregerstroms ist, der eine den Schaltanker (7) von der Rückstellposition in die Halteposition bewegende Spulenkraft bewirkt, – und eine zweite Gleichspannung eine Abschaltspannung zur Erzeugung eines Abschaltstroms ist, der dem Erregerstrom entgegen gerichtet ist.
Schaltschütz (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinheit (2) als eine dritte Gleichspannung eine Haltespannung zur Erzeugung eines Haltestroms, der eine den Schaltanker (7) in der Halteposition haltende Spulenkraft bewirkt und die gleiche Richtung wie der Erregerstrom hat, einstellbar ist.
Schaltschütz (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vollbrückenschaltung (3), in deren Brückenzweig (3.1) die Spule (4) angeordnet ist und über die die Spule (4) mittels der Steuereinheit (2) elektrisch ansteuerbar ist.
Schaltschütz (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Teilarm (3.2, 3.3) der Vollbrückenschaltung (3) ein mittels der Steuereinheit (2) ansteuerbares Schaltelement (9) angeordnet ist.
Schaltschütz (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (9) Halbleiterbauelemente sind.
Schaltschütz (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) zur pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Spule (4) über die Vollbrückenschaltung (3) ausgebildet ist.
Schaltschütz (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (9) elektromechanische Bauelemente sind.
Schaltschütz (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch einen parallel zur Vollbrückenschaltung (3) geschalteten Speicherkondensator (5).
Schaltschütz (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen mit der Steuereinheit (2) verbundenen Kondensatorspannungsmesser (11) zur Erfassung einer Kondensatorspannung zwischen Elektroden des Speicherkondensators (5).
Schaltschütz (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (2) zum Abschalten der Erregerspannung oder der Haltespannung oder zum Anschalten der Abschaltspannung ausgebildet ist, wenn die Kondensatorspannung einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert unterschreitet.
Schaltschütz (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Speicherkondensators (5) in Abhängigkeit von der Induktivität der Spule (4) derart gewählt ist, dass nach einem Abschalten der Erregerspannung oder Haltespannung eine Kondensatorspannung zwischen Elektroden des Speicherkondensators (5) wenigstens einmal ihr Vorzeichen wechselt.
Schaltschütz (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine der Vollbrückenschaltung (3) und dem Speicherkondensator (5) vorgeschaltete Diode (6).