DE102014206366B4

DE102014206366B4 - Verfahren zur Prüfung eines Selbsthaltemagneten eines Schalters und Prüfeinrichtung für den Selbsthaltemagneten

Info

Publication number: DE102014206366B4
Application number: DE102014206366.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fischer; Stefan Widmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2034-04-04
Also published as: CN104977530A; US20150285862A1; US9772379B2; CN104977530B; DE102014206366A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung einer Wicklung (14) auf Drahtbruch 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, unde) 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, unddass nach der zweiten Schließzeit geprüft wird, ob gespeicherte Energie des Selbsthaltemagneten (15) abgebaut wird, und der Abbau der Energie von einem Stromsensor (23) erfasst wird, wobeider Stromsensor (23) den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an einer in Reihe mit einer ersten Diode (23a) geschalteten zweiten Diode (23b) in Form einer Zenerdiode erfasst, wobei die Anoden der beiden Dioden (23a, 23b) miteinander verbunden sind.

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 4.
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.
DE 199 54 037 A1 beschreibt ein Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit eines Bauelementes eines elektrischen Gerätes während des Betriebs. Zum Überwachen der Haltekraft eines Permanentmagneten wird eine Auslösespule des Auslösemagneten vor einem prognostizierten Ansprechen mit einem Stromimpuls belastet, dessen Dauer kürzer ist als die für ein erwünschtes Ansprechen erforderliche Dauer.
DE 10 2008 035 325 A1 beschreibt eine Schaltung und ein Verfahren zur Detektion eines Vorhandenseins einer Last. Eine Schaltung zur Erkennung einer Lastunterbrechung an der Last weist einen Schalter auf, der in Reihe mit der Last geschaltet ist, wobei parallel zu der Last 11 eine Freilaufdiode vorhanden ist. Der Schalter ist zwischen eine erste Versorgungspotentialklemme und eine erste Anschlussklemme geschaltet, während eine zweite Anschlussklemme an eine zweite Versorgungspotentialsklemme für ein Bezugspotential ist. Eine Schaltung zur Erkennung einer Lastunterbrechung ist an die erste Anschlussklemme angeschlossen. Ein Auswertepotential an der Last entspricht einem ersten elektrischen Potential an dieser ersten Anschlussklemme. Zur Auswertung wird ein Komparator verwendet, an dessen ersten Eingang das Potential der Anschlussklemme zugeführt wird und an dessen zweiten Eingang eine Referenzspannung angelegt wird. Dem Komparator ist eine Auswerteschaltung, die dazu ausgebildet ist, ein Vergleichssignal zu einem vorgegebenen Auswertezeitpunkt auszuwerten.
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 4 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.
Die Lösung bezogen auf das Verfahren sieht ferner vor, dass der Abbau der Energie von einem Stromsensor erfasst wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Stromsensor den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an einer ersten Diode erfasst.
Die Lösung bezogen auf das Verfahren sieht ferner vor, dass der Stromsensor den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an einer in Reihe mit einer ersten Diode geschalteten zweiten Diode in Form einer Zenerdiode erfasst, wobei die Anoden der beiden Dioden miteinander verbunden sind.
Im einfachsten Fall ist der Stromsensor eine von dem Strom durchflossene Diode, wobei jeweils erfasst wird, ob eine entsprechende Spannung an dieser 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.
Die Lösung bezogen auf die Prüfeinrichtung sieht ferner vor, dass ein Stromsensor den Abbau der Energie erfasst.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Stromsensor den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an einer ersten Diode erfasst.
Die Lösung bezogen auf die Prüfeinrichtung sieht ferner vor, dass der Stromsensor den Abbau der Energie an einer in Reihe mit der ersten Diode geschalteten zweiten Diode in Form einer Zenerdiode erfasst, deren Anode mit der Anode der ersten Diode verbunden ist.
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 Schalter 1 verfügt über einen Schaltkontakt 2 mit Kontaktelementen 3, 4, die bei geschlossenem Schaltkontakt 2 - wie in der Figur schematisch dargestellt - aneinander anliegen. Der Schaltkontakt 2 ist in eine Leitung L geschaltet. Um den durch die Leitung L fließenden Strom zu unterbrechen, wird der Schaltkontakt 2 geöffnet, indem die Kontaktelemente 3, 4 mechanisch voneinander getrennt werden.
Zum Schalter 1 gehört weiter eine elektronische Auslöseeinheit ETU, die jeweils den Strom über den Schaltkontakt 2 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 Schaltschloss 6 mit einer Schaltwelle 6a umfasst, die unter mechanischer Vorspannung gehalten ist und nach Auslösung des Aktuators 5 den Schaltkontakt 2 öffnet. Das Zusammenwirken zwischen der Auslöseeinheit ETU und dem Aktuator 5 sowie dem Aktuator 5 und dem Schaltkontakt 2 ist in der Figur schematisch über die gestrichelten Verbindungslinien 7, 8 dargestellt.
Zur Energieversorgung der Auslöseeinheit ETU dient eine Wicklung 10, die um den Leiters L gewickelt ist, elektrische Energie nach Art eines Transformators aus dem Leiter L auskoppelt und an eine Gleichrichtereinheit 11 abgibt. Die Spannung der Gleichrichtereinheit 11 lädt einen Energiespeicher 13a in Form eines Kondensators 13 über eine Diode 12 auf.
Parallel zum Kondensator 13 ist eine Wicklung 14 eines Selbsthaltemagneten 15 in Reihe mit einem Transistorschalter 16 geschaltet. Zum Selbsthaltemagneten 15 gehört ein Dauermagnet 17, der von der Wicklung 14 umwickelt ist. Ein Stößel 18 wird von dem Dauermagneten 17 gegen die Kraft einer Feder 19 magnetisch angezogen und dabei festgehalten.
Bei geschlossenem Transistorschalter 16 bilden der Kondensator 13 und der Selbsthaltemagnet 15 (d.h. dessen Wicklung 14) einen geschlossenen Stromkreis 16a, und befindet sich der Kondensator 13 im Entlademodus, in dem sein Entladestrom durch die Wicklung 14 (Maglatchspule) fließt und ein Gegenmagnetfeld aufbaut. Die (erste) Schließzeit des Transistorschalters 16 und der Entladestrom sind so gewählt, dass Gegenmagnetfeld das Magnetfeld des Dauermagneten 17 derart schwächt, dass dessen magnetische Anziehungskraft nicht mehr ausreicht, um den Stößel 18 festzuhalten. Der so freigegebene Stößel 18 bewegt sich auf das Schaltschloss 6 zu und entklinkt das Schaltschloss 6. Die dadurch ausgelöste Drehung der Schaltwelle 6a um ihre Längsachse öffnet den Schaltkontakt 2.
Das Schließen des Transistorschalters 16 und damit des Stromkreises 16a 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 Sensorspule 9 abgegebenen Spannungssignals (schematisch dargestellt als gestrichelte Linie 21). Die (erste) Schließzeit beträgt hier 4 ms. Danach wird der Transistorschalters 16 wieder geöffnet.
Ein (erster) Komparator 20 überwacht die Spannung des Kondensators 13 und vergleicht diese mit einer (ersten) Referenzspannung Urefl, wobei die Spannung des Kondensators 13 über einen Spannungsteiler mit den Widerständen R1, R2 an die Referenzspannung Uref1 angepasst ist, die einen vorgegebenen Referenzwert bildet. Der Komparator 20 signalisiert (Signal S1) dem Mikrocontroller uC jeweils, dass die Spannung des Kondensators 13 größer gleich der Referenzspannung Uref1 und der Kondensator 13 damit aufgeladen ist. Eine Auslösung erfolgt nur bei aufgeladenem Kondensator 13.
Eine vorgesehene Prüfeinrichtung 22 zur Prüfung des Selbsthaltemagneten 15, d.h. insbesondere dessen Wicklung 14 auf Drahtbruch, umfasst eine im Mikrocontroller uC laufende (zweite) Software (Softwareprogramm) SW2, einen in den Stromkreis 16a geschalteten Stromsensor 23 in Form einer Zenerdiode 23b (einer zweiten Diode) und einen weiteren (zweiten) Komparator 24, dem ein Differenzverstärker 25 vorgeschaltet ist. Die Software SW2 schließt den Transistorschalter 16 zyklisch für eine kurze (vorgegebene) Zeitdauer (quasi für die Länge eines Prüfimpulses) und schaltet damit den Kondensators 13 kurzzeitig in den Entlademodus, wobei die Länge des Prüfimpulses (die (zweite) Schließzeit) so kurz gewählt ist, dass es zu keiner Betätigung des Aktuators 5 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 Stößels 18, 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 Wicklung 14 eine Freilauf-Diode 23a (eine erste Diode) geschaltet, deren Anode mit der Anode der Zenerdiode 23b verbunden ist. An der Freilauf-Diode 23a (als auch an der Zenerdiode 23b) fällt nach dem Prüfimpuls eine Spannung ab, da die Wicklung 14 ihre Energie im Wesentlichen über die Freilauf-Diode 23a 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) Zenerdiode 23b ist abhängig von deren Zenerspannung und damit entsprechend größer. Ausgewertet wird hier deshalb vorzugsweise der Spannungsfall an der Zenerdiode 23b. Um höhere Spannungen an der Wicklung 14 zu vermeiden, ist die Zenerspannung der Zenerdiode 23b kleiner 10V.
Die Spannungsabfälle an den Dioden 23a, 23b, die durch den Freilaufstrom der Wicklung 14 erzeugt werden, sind nur messbar, wenn die Wicklung 14 insbesondere keinen Drahtbruch aufweist.
Der Spannungsabfall an der Zenerdiode 23b wird mittels des Komparators 24 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 Transistorschalters 16, also nach dem Prüfimpuls, keine Spannung an der Zenerdiode 23b abfällt. Das Signal S2 zeigt also an, dass ein Fehler vorliegt, insbesondere ein Drahtbruch der Wicklung 14. Dieser Fehler wird vom Mikrocontroller uC in Form eines Fehlersignals ausgegeben (signalisiert).

Claims

Verfahren zur Prüfung einer Wicklung (14) auf Drahtbruch 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, und der Abbau der Energie von einem Stromsensor (23) erfasst wird, wobei der Stromsensor (23) den Abbau der Energie anhand des Spannungsabfalls an einer in Reihe mit einer 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 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen des Spannungsabfalls mittels eines Komparators (24) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (24) ein Signal (S2) abgibt, wenn die entsprechende Spannung abfällt.
Prüfeinrichtung (22) für eine Prüfung einer Wicklung (14) auf Drahtbruch eines 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 und dass ein Stromsensor (23) den Abbau der Energie erfasst, wobei der Stromsensor (23) den Abbau der Energie an einer in Reihe mit einer 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 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Spannungsabfalls ein Komparator (24) vorgesehen ist.
Prüfeinrichtung (22) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (24) ein Signal (S2) abgibt, wenn ein entsprechender Spannungsabfall vorliegt.