DE102014206366A1 - Verfahren zur Prüfung eines Selbsthaltemagneten eines Schalters und Prüfeinrichtung für den Selbsthaltemagneten - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Selbsthaltemagneten (15) eines Schalters (1) und eine Prüfeinrichtung (22) für den Selbsthaltemagneten (15), wobei der Schalter (1) aufweist a) einen Schaltkontakt (2), der aus Kontaktelementen (3, 4) gebildet ist, b) eine elektronische Auslöseeinheit (ETU), welche jeweils den über die Kontaktelemente (3, 4) fließenden Strom überwacht und prüft, ob eine stromabhängige Auslösebedingung (ETU) erfüllt ist, c) einen elektrischen Energiespeicher (13), der mit der Wicklung (14) des Selbsthaltemagneten (15) einen Stromkreis (16a) bildet, welchen die Auslöseeinheit (ETU) bei Erfüllung der Auslösebedingung schließt, d) einen Aktuator (5), der durch Schließen des Stromkreises (16a) für eine erste Schließzeit betätigt wird und die Kontaktelemente (3, 4) trennt, und e) eine parallel zur Wicklung (14) geschaltete erste Diode (23b), über welche sich gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15) abbaut. Um eine alternative Prüfung anzugeben, wird vorgeschlagen, dass die Prüfeinrichtung (22) den Stromkreis für eine zweite Schließzeit schließt, die so kurz ist, dass es zu keiner Betätigung des Aktuators (5) kommt, und dass nach dem wieder Öffnen geprüft wird, ob sich gespeicherte Energie abbaut.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung eines Selbsthaltemagneten eines Schalters und eine Prüfeinrichtung für den Selbsthaltemagneten gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6.
- Schalter im Niederspannungsbereich mit elektromechanischen Auslösern sind z.B. als Leistungsschutzschalter bekannt. Diese unterbrechen den fließenden Strom beispielsweise bei Überschreitung eines vorgegebenen Stromwerts, der von einer elektronischen Auslöseeinheit erfasst wird. Der Auslöser umfasst weiter einen Selbsthaltemagneten (Maglatch), welcher einen Permanentmagneten, eine Wicklung und einen ferromagnetischen Stößel aufweist, wobei der Stößel von dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegen der Kraft einer Feder angezogen wird. Die Auslösung erfolgt, indem von der am Permanentmagneten angeordneten Wicklung ein magnetisches Gegenfeld erzeugt wird, welches das Magnetfeld des Permanentmagneten im Bereich des Stößels derart kompensiert, dass der Stößel zum Betätigen des Schalters von der Feder in Richtung seiner Längsachse verschoben wird. Der Stößel wirkt dabei mit einem Aktuator in Form eines Schaltschlosses zusammen, in dem eine Schaltwelle unter mechanischer Vorspannung gehalten wird, welche der Stößel entklinkt. Die sich um ihre Längsachse drehende Schaltwelle trennt die Kontaktelemente und öffnet so den Schalter.
- Die Wicklung des Selbsthaltemagneten bildet mit einem elektrischen Energiespeicher in Form eines Kondensators einen Stromkreis, welcher bei Erfüllung der Auslösebedingung von der Auslöseeinheit geschlossen wird.
- Zum Abbau der gespeicherten Energie wird eine Freilauf-Diode parallel zur Wicklung des Selbsthaltemagneten geschaltet.
- Zur Prüfung des Selbsthaltemagneten, d.h. insbesondere der Wicklung auf Drahtbruch, ist es bekannt, einen stationären Prüfstrom durch die Wicklung zu schicken, der zu klein ist, um den Stößel freizugeben. Der Prüfstrom wird überwacht, wobei eine Unterbrechung des Stroms insbesondere einen Drahtbruch anzeigt.
- Nachteilig ist, dass dabei dauerhaft ein Strom durch die Wicklung fließt.
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Lösung für die Prüfung des Selbsthaltemagneten anzugeben.
- Die Aufgabe wird bezogen auf das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Prüfeinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
- Die Lösung sieht bezogen auf das Verfahren vor, dass der Stromkreis zur Prüfung für eine Schließzeit geschlossen wird, die so kurz ist, dass es zu keiner Trennung der Kontaktelemente kommt, und dass nach der Schließzeit, also nach dem wieder Öffnen, geprüft wird, ob dabei gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten abgebaut wird. Diese Lösung nutzt die Tatsache aus, dass der Strom, um den Aktuator zu betätigen, eine gewisse (vorgegebene) Zeit in einer gewissen (vorgegebenen) Stärke fließen muss. Es ist keine Ruhestromüberwachung implementiert, trotzdem werden Defekte während des Normalbetriebs ohne Auslösung des Selbsthaltemagneten erkannt.
- Bei einer einfachen Ausgestaltung wird das Fließen des Stroms von einem Stromsensor erfasst.
- Im einfachsten Fall ist der Stromsensor eine von dem Strom durchflossene Diode, wobei jeweils erfasst wird, ob eine entsprechende Spannung an der Diode abfällt.
- Technisch wird das Vorliegen des (Vorhandensein eines) Spannungsabfalls mittels eines Komparators erfasst.
- Vorzugsweise gibt der Komparator ein Signal ab, wenn der Spannungsabfall an der Diode vorliegt.
- Die Lösung sieht bezogen auf die Prüfeinrichtung vor, dass die Prüfeinrichtung den Stromkreis für eine Schließzeit schließt, die so kurz ist, dass es zu keiner Trennung der Kontaktelemente kommt, und dass die Prüfeinrichtung nach der Schließzeit prüft, ob sich gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten abbaut.
- Technisch einfach ist es, wenn ein Stromsensor den Stromfluss erfasst.
- Die Erfassung ist relativ stromunabhängig, wenn der Stromsensor zur Erfassung des Stromflusses eine Diode aufweist und die Prüfeinrichtung den Spannungsabfall an der Diode erfasst.
- Zweckmäßigerweise weist die Prüfeinrichtung zur Erfassung des Spannungsabfalls einen Komparator auf.
- Im einfachsten Fall gibt der Komparator ein Signal ab, wenn ein entsprechender Spannungsabfall vorliegt.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Schalter
1 , der als Leistungsschutzschalter für Niederspannungen ausgebildet ist. Der Schalter1 verfügt über einen Schaltkontakt2 mit Kontaktelementen3 ,4 , die bei geschlossenem Schaltkontakt2 – wie in der Figur schematisch dargestellt – aneinander anliegen. Der Schaltkontakt2 ist in eine Leitung L geschaltet. Um den durch die Leitung L fließenden Strom zu unterbrechen, wird der Schaltkontakt2 geöffnet, indem die Kontaktelemente3 ,4 mechanisch voneinander getrennt werden. - Zum Schalter
1 gehört weiter eine elektronische Auslöseeinheit ETU, die jeweils den Strom über den Schaltkontakt2 überwacht und dabei prüft, ob eine vorgegebene stromabhängige Auslösebedingung erfüllt ist. Die Auslösebedingung ist hier beispielhaft die Überschreitung eines vorgegebenen Stromschwellwerts. - Zur Erfassung des durch den Leiter L fließenden Stroms dient das stromproportionale Spannungssignal einer Sensorspule
9 , die im Magnetfeld und damit im Bereich des Leiters L angeordnet ist. - Die Auslöseeinheit ETU wirkt mit einem Aktuator
5 zusammen, welcher ein Schaltschloss6 mit einer Schaltwelle6a umfasst, die unter mechanischer Vorspannung gehalten ist und nach Auslösung des Aktuators5 den Schaltkontakt2 öffnet. Das Zusammenwirken zwischen der Auslöseeinheit ETU und dem Aktuator5 sowie dem Aktuator5 und dem Schaltkontakt2 ist in der Figur schematisch über die gestrichelten Verbindungslinien7 ,8 dargestellt. - Zur Energieversorgung der Auslöseeinheit ETU dient eine Wicklung
9 , die um den Leiters L gewickelt ist, elektrische Energie nach Art eines Transformators aus dem Leiter L auskoppelt und an eine Gleichrichtereinheit11 abgibt. Die Spannung der Gleichrichtereinheit11 lädt einen Energiespeicher13a in Form eines Kondensators13 über eine Diode12 auf. - Parallel zum Kondensator
13 ist eine Wicklung14 eines Selbsthaltemagneten15 in Reihe mit einem Transistorschalter16 geschaltet. Zum Selbsthaltemagneten15 gehört ein Dauermagnet17 , der von der Wicklung14 umwickelt ist. Ein Stößel18 wird von dem Dauermagneten17 gegen die Kraft einer Feder19 magnetisch angezogen und dabei festgehalten. - Bei geschlossenem Transistorschalter
16 bilden der Kondensator13 und der Selbsthaltemagnet15 (d.h. dessen Wicklung14 ) einen geschlossenen Stromkreis16a , und befindet sich der Kondensator13 im Entlademodus, in dem sein Entladestrom durch die Wicklung14 (Maglatchspule) fließt und ein Gegenmagnetfeld aufbaut. Die (erste) Schließzeit des Transistorschalters16 und der Entladestrom sind so gewählt, dass Gegenmagnetfeld das Magnetfeld des Dauermagneten17 derart schwächt, dass dessen magnetische Anziehungskraft nicht mehr ausreicht, um den Stößel18 festzuhalten. Der so freigegebene Stößel18 bewegt sich auf das Schaltschloss6 zu und entklinkt das Schaltschloss6 . Die dadurch ausgelöste Drehung der Schaltwelle6a um ihre Längsachse öffnet den Schaltkontakt2 . - Das Schließen des Transistorschalters
16 und damit des Stromkreises16a erfolgt durch einen zur Auslöseeinheit ETU gehörenden Mikrocontroller uC, wenn die Auslösebedingung erfüllt ist, wobei die Prüfung der Auslösebedingung von einer (ersten) Software (Softwareprogramm) SW1 durchgeführt wird, und zwar anhand des von der Sensorspule9 abgegebenen Spannungssignals (schematisch dargestellt als gestrichelte Linie21 ). Die (erste) Schließzeit beträgt hier 4 ms. Danach wird der Transistorschalters16 wieder geöffnet. - Ein (erster) Komparator
20 überwacht die Spannung des Kondensators13 und vergleicht diese mit einer (ersten) Referenzspannung Uref1, wobei die Spannung des Kondensators13 über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R1, R2 an die Referenzspannung Uref1 angepasst ist, die einen vorgegebenen Referenzwert bildet. Der Komparator20 signalisiert (Signal S1) dem Mikrocontroller uC jeweils, dass die Spannung des Kondensators13 größer gleich der Referenzspannung Uref1 und der Kondensator13 damit aufgeladen ist. Eine Auslösung erfolgt nur bei aufgeladenem Kondensator13 . - Eine vorgesehene Prüfeinrichtung
22 zur Prüfung des Selbsthaltemagneten15 , d.h. insbesondere dessen Wicklung14 auf Drahtbruch, umfasst eine im Mikrocontroller uC laufende (zweite) Software (Softwareprogramm) SW2, einen in den Stromkreis16a geschalteten Stromsensor23 in Form einer Zenerdiode23b (einer zweiten Diode) und einen weiteren (zweiten) Komparator24 , dem ein Differenzverstärker25 vorgeschaltet ist. Die Software SW2 schließt den Transistorschalter16 zyklisch für eine kurze (vorgegebene) Zeitdauer (quasi für die Länge eines Prüfimpulses) und schaltet damit den Kondensators13 kurzzeitig in den Entlademodus, wobei die Länge des Prüfimpulses (die (zweite) Schließzeit) so kurz gewählt ist, dass es zu keiner Betätigung des Aktuators5 kommt. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Strom, um den Aktuator zu betätigen, für eine gewisse (vorgegebene) Zeit in einer gewissen (vorgegebenen) Stärke fließen muss. Fließt also zwar ein Strom in ausreichender Stärke, aber für eine zu kurze Zeit, kommt es zu keiner Freigabe des Stößels18 , was bei der Prüfung notwendig ist. Der Prüfimpuls (die (zweite) Schließzeit) hat hier eine zeitliche Länge kleiner 0,1 ms. - Wegen der induktiven Charakteristik der Wicklung
14 ist parallel zur Wicklung14 eine Freilauf-Diode23a (eine erste Diode) geschaltet, deren Anode mit der Anode der Zenerdiode23b verbunden ist. An der Freilauf-Diode23a (als auch an der Zenerdiode23b ) fällt nach dem Prüfimpuls eine Spannung ab, da die Wicklung14 ihre Energie im Wesentlichen über die Freilauf-Diode23a abbaut, die bei dem Abbau in Durchlassrichtung geschaltet ist. - Der Spannungsabfall an der Freilauf-Diode
23a liegt bei 0,3–0,7 V und der an der (beim Abbau in Sperrrichtung betriebenen) Zenerdiode23b ist abhängig von deren Zenerspannung und damit entsprechend größer. Ausgewertet wird hier deshalb vorzugsweise der Spannungsfall an der Zenerdiode23b . Um höhere Spannungen an der Wicklung14 zu vermeiden, ist die Zenerspannung der Zenerdiode23b kleiner 10V. - Die Spannungsabfälle an den Dioden
23a ,23b , die durch den Freilaufstrom der Wicklung14 erzeugt werden, sind nur messbar, wenn die Wicklung14 insbesondere keinen Drahtbruch aufweist. - Der Spannungsabfall an der Zenerdiode
23b wird mittels des Komparators24 mit einer (zweiten) Referenzspannung Uref2 verglichen. - Alternativ kann selbstverständlich auch der Spannungsabfall an der Freilauf-Diode
23a zum Vergleich mit einem Referenzwert verwendet werden. - Der Komparator
24 gibt jeweils ein Signal S2 ab, wenn nach der kurzen (vorgegebenen) Zeitdauer nach Öffnen des Transistorschalters16 , also nach dem Prüfimpuls, keine Spannung an der Zenerdiode23b abfällt. Das Signal S2 zeigt also an, dass ein Fehler vorliegt, insbesondere ein Drahtbruch der Wicklung14 . Dieser Fehler wird vom Mikrocontroller uC in Form eines Fehlersignals ausgegeben (signalisiert).
Claims (10)
- Verfahren zur Prüfung eines elektromagnetischen Selbsthaltemagneten (
15 ) eines Schalters (1 ), wobei der Schalter (1 ) aufweist: a) einen Schaltkontakt (2 ), der aus Kontaktelementen (3 ,4 ) gebildet ist, die zum Öffnen des Schaltkontakts (2 ) mechanisch voneinander getrennt werden, b) eine elektronische Auslöseeinheit (ETU), welche jeweils den über die Kontaktelemente (3 ,4 ) fließenden Strom überwacht und die Erfüllung einer stromabhängigen Auslösebedingung prüft, c) einen elektrischen Energiespeicher (13 ), der mit der Wicklung (14 ) des Selbsthaltemagneten (15 ) einen Stromkreis (16a ) bildet, welcher bei Erfüllung der Auslösebedingung für eine erste Schließzeit geschlossen wird, d) einen die Kontaktelemente (3 ,4 ) trennenden Aktuator (5 ), der durch Schließen des Stromkreises (16a ) betätigt wird, und e) eine parallel zur Wicklung (14 ) geschaltete erste Diode (23a ), über welche jeweils gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15 ) abgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis (16a ) zur Prüfung für eine zweite Schließzeit geschlossen wird, die so kurz ist, dass es zu keiner Trennung der Kontaktelemente (3 ,4 ) kommt, und dass nach der zweiten Schließzeit geprüft wird, ob gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15 ) abgebaut wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbau der Energie von einem Stromsensor (
23 ) erfasst wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (
23 ) den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an der ersten Diode (23a ) oder an einer in Reihe mit der ersten Diode (23a ) geschalteten zweiten Diode (23b ) in Form einer Zenerdiode erfasst, wobei die Anoden der beiden Dioden (23a ,23b ) miteinander verbunden sind. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen des Spannungsabfalls mittels eines Komparators (
24 ) erfasst wird. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (
24 ) ein Signal (S2) abgibt, wenn die entsprechende Spannung abfällt. - Prüfeinrichtung (
22 ) für einen Selbsthaltemagneten (15 ) eines Schalters (1 ), wobei der Schalter (1 ) aufweist a) einen Schaltkontakt (2 ), der aus Kontaktelementen (3 ,4 ) gebildet ist, die bei geöffnetem Schaltkontakt (2 ) mechanisch voneinander getrennt sind und bei geschlossenem Schaltkontakt (2 ) aneinander anliegen, b) eine elektronische Auslöseeinheit (ETU), welche jeweils den über die Kontaktelemente (3 ,4 ) fließenden Strom überwacht und prüft, ob eine stromabhängige Auslösebedingung (ETU) erfüllt ist, c) einen elektrischen Energiespeicher (13 ), der mit der Wicklung (14 ) des Selbsthaltemagneten (15 ) einen Stromkreis (16a ) bildet, welchen die Auslöseeinheit (ETU) bei Erfüllung der Auslösebedingung schließt, d) einen Aktuator (5 ), der durch Schließen des Stromkreises (16a ) für eine erste Schließzeit betätigt wird und die Kontaktelemente (3 ,4 ) nach Betätigung trennt, und e) eine parallel zur Wicklung (14 ) geschaltete erste Diode (23a ), über welche sich gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15 ) abbaut, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfeinrichtung (22 ) den Stromkreis für eine zweite Schließzeit schließt, die so kurz ist, dass es zu keiner Trennung der Kontaktelemente (3 ,4 ) kommt, und dass die Prüfeinrichtung (22 ) nach der zweiten Schließzeit prüft, ob sich gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15 ) abbaut. - Prüfeinrichtung (
22 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromsensor (23 ) den Abbau der Energie erfasst. - Prüfeinrichtung (
22 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor (23 ) den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an der ersten Diode (23a ) oder an einer in Reihe mit der ersten Diode (23a ) geschalteten zweiten Diode (23b ) in Form einer Zenerdiode erfasst, deren Anode mit der Anode der ersten Diode (23b ) verbunden ist. - Prüfeinrichtung (
22 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Spannungsabfalls ein Komparator (24 ) vorgesehen ist. - Prüfeinrichtung (
22 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (24 ) ein Signal (S2) abgibt, wenn ein entsprechender Spannungsabfall vorliegt.
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