DE102015015580A1

DE102015015580A1 - Schaltungsanordnung zum Betrieb elektromagnetischer Triebsysteme

Info

Publication number: DE102015015580A1
Application number: DE102015015580.6A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Thron; Dipl.-Ing. Laske Olaf
Original assignee: PCS POWER CONVERTER SOLUTIONS GmbH
Current assignee: Powertech Converter De GmbH; Ellenberger and Poensgen GmbH
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08
Also published as: WO2017093552A1; EP3384514A1; PL3384514T3; CA3006630C; CA3006630A1; AU2016362010A1; US10755881B2; BR112018011283B1; AU2016362010B2; BR112018011283A2; EP3384514B1; JP2019504461A; CN108701567A; JP6900391B2; ES2893243T3; KR20180112767A; US20180366288A1; CN108701567B; PT3384514T

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems für elektomechanische Vorrichtungen, insbesondere mit mechanisch verriegelter Endlage, mit wenigstens einer Steuerspannungsquelle (UB), mit wenigstens einer Regel- und Steuerschaltung (1), mit wenigstens einem Triebsystem (2), mit wenigstens einem Übertrager (T1), mit wenigstens einer Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8), mit wenigstens einem Glättungskondensator (C5), mit wenigstens einem Hauptschalttransistor (VT2), mittels dessen das Triebsystem (2) in einem charakteristischen Pulsfolgesystem ansteuerbar ist und wobei der Hauptschalttransistor (VT2) mit einem Primärzweig des Übertragers (T1) in Reihe geschaltet ist, wobei der Übertrager (T1) mit der speisenden Spannung (UB) verbunden ist und die Sekundärseite des Übertragers (T1) die Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8) speist, deren Ausgangsgleichspannung durch den Glättungskondensator (C5) geglättet und zur Spannung der Steuerspannungsquelle (UB) addiert wird, so dass eine Speisung mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf erfolgt. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems für elektomechanische Vorrichtungen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems für elektomechanische Vorrichtungen.
Elektromagnetische Triebsysteme werden in der Elektrotechnik häufig eingesetzt, um eine Kraftbeaufschlagung beweglicher mechanischer Bauteile zu realisieren. Solche Systeme verwenden bespielsweise Zugmagnete oder auch andere auf elektromagnetischer Basis arbeitende Baugruppen. Diese Triebsysteme werden unter anderem in Schützen, Schutzschaltern, Relais, Magnetventilen usw. in viefältiger Form eingesetzt.
Bei der Betätigung solcher Triebsysteme wird üblicherweise das magnetische System durch die Steuerspannungsquelle direkt erregt; dabei findet eine Beschleunigung mechanischer Bauteile, wie z. B. Anker oder auch Hebelsysteme, statt. Diese bewirken z. B. das Schließen von Schaltkontakten. Kraftverlauf und Schließgeschwindigkeit sind in diesem Fall jedoch von der Höhe der angelegten Spannung abhängig.
Bekannt ist aber auch, daß die Energieversorgung der Triebsysteme oft mittels elektronischer Anordnungen (Vorschaltgeräte) so gesteuert wird, daß bei der Betätigung die Weg-Zeit-Charakteristik des Kraftverlaufs optimal den Erfordernissen des mechanischen Systems entspricht.
Aus der DE 20 2011 051 972 U1 ist bereits eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Schaltgerätes, welches eine erste Schaltstellung und eine zweite Schaltstellung aufweist und zwischen der ersten Schaltstellung und der zweiten Schaltstellung schaltbar ist, mit zumindest einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zum Erzeugen einer Stellkraft zum Schalten des Schaltgeräts zwischen der ersten Schaltstellung und der zweiten Schaltstellung und einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung, bekannt.
Die Betätigung vorgenannter Triebsysteme durch direkte Beaufschlagung der Magnetsysteme mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung besitzt den Nachteil, dass der eingespeiste Steuerstrom und damit die Magnetkraft in der Regel nicht der vorliegenden Kraft-Weg-Charakteristik des angetriebenen mechanischen Systems angepasst ist.
Die bekannten elektronischen Vorschaltgeräte zum Betrieb von magnetischen Triebsystemen takten die Magnetsysteme direkt über einen oder mehrere elektonische Schalter. Nachteilig dabei ist, dass die vorhandene Steuerspannung zwar reduziert, aber nicht erhöht werden kann.
In einer Reihe von Einsatzfällen dieser Triebsysteme ist es jedoch vorteilhaft, die Steuerspannung zur Betätigung erforderlichenfalls auch erhöhen zu können. Sonst ist in diesen Einsatzfällen – zum Beispiel in Unterspannungssituationen – eine sichere Betätigung nicht möglich.
Desweitern dienen diese Vorschaltgeräte vorzugsweise der Betätigung von Schaltgeräten in Form von Schützen, bei denen der Kraftbedarf zunächst hoch, dann aber zeitlich abfallend ist.
Durch die direkte Taktung des elektrischen Triebsystems entsteht außerdem ein Störspannungsspektrum, welches sich negativ auf andere elektronische Systeme auswirken kann. Auch bewirkt die Steilheit der Impulse eine erhöhte Belastung des Wicklungsaufbaus der Magnetsysteme, die meistens für den Gleichspannungs- oder den niederfrequenten Wechselspannungsbetrieb konzipiert sind. Die getaktete Betriebsweise kann somit Schäden an der Wicklung des Magnetsystems hervorrufen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ein sicherer und mechanisch schonender Betrieb ohne wesentliche Störaussendung gewährleistet ist, und es möglich ist, solche Triebsysteme zu betätigen, die bei der Betätigung einen zeitlich stark ansteigenden Kraftbedarf sowie auch eine mechisch verriegelte, stabile Endlage aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass eine Schaltungsanordnung bereitgestellt wird zur Betätigung eines elektromagnetisches Triebsysteme für elektomechanische Vorrichtungen, insbesondere mit mechanisch verriegelter Endlage, mit wenigstens einer Steuerspannungsquelle, mit wenigstens einer Regel- und Steuerschaltung, mit wenigstens einem Triebsystem, mit wenigstens einem Übertrager, mit wenigstens einer Gleichrichterbrücke, mit wenigstens einem Glättungskondensator, mit wenigstens einem Hauptschalttransistor, mittels dessen das Triebsystem in einem charakteristischen Pulsfolgesystem ansteuerbar ist und wobei der Hauptschalttransistor mit einem Primärzweig des Übertragers in Reihe geschaltet ist, wobei der Übertrager mit der speisenden Spannung verbunden ist und die Sekundärseite des Übertragers die Gleichrichterbrücke speist, deren Ausgangsgleichspannung durch den Glättungskondensator geglättet und zur Spannung der Steuerspannungsquelle addiert wird, so dass eine Speisung mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf erfolgt.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass eine getaktete transformatorische Wandlerstufe mittels einer Steuer- und Regelschaltung die für den spezifischen Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems erforderliche elektrische Speisecharakteristik im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ohne gepulste Beaufschlagung der Triebsystemspulen bereitstellt. Die aus dem Stand der Technik aufgezeigten Nachteile der bekannten Ansteuerungen werden vermieden und eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, welche das Magnetsystem genannter Triebsysteme, insbesondere jene mit Gleichstrommagnetspulen, so betreibt, dass im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ein sicherer und mechanisch schonender Betrieb ohne wesentliche Störaussendung gewährleistet ist, und auch erlaubt, solche Triebsysteme zu betätigen, die bei der Betätigung einen zeitlich stark ansteigenden Kraftbedarf sowie auch eine mechisch verriegelte, stabile Endlage aufweisen.
Bei dem Betrieb von Schaltgeräten mit elektromagnetischem Triebsystem, beispielsweise Batterieschutzschaltern mit Zugmagneten im Triebsystem und mechanisch verriegelter Endlage, Schütz- und Relaisspulen sowie Magnetventilen mit elektromagnetischer Ventilsteuerung, ergeben sich durch den inneren Aufbau eingeschränkte Betriebsspannungsbereiche und ein erhöhter Verschleiß der mechanisch bewegten Komponenten. Bei Betrieb mit einer getakteten Spannung entsteht eine Störaussendung, die elektronische Schaltungen beeinflussen können.
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist nun erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung bereitgestellt, die eine geregelte Gleichspannung mit einer dem für das Triebsystem zuträglichen Speiseverlauf mittels einer Schaltstufe und Übertrageranordnung mit nachgeschaltetem Gleichrichter bereitstellt und auch ermöglicht, erforderlichenfalls die Betätigungsspannung über die vorhandene und gegebenfalls stark toleranzbehaftete Steuerspannung zu erhöhen. Damit wird deren sichere Einschaltung, wie im beispielhaften Fall eines Batterieschutzschalters mit Zugmagneten im Triebsystem und batteriegepufferter Stromversorgungsanlage bei Vorliegen eines weiten Eingangsspannungsbereiches gewährleistet. Darüber hinaus ermöglicht die Schaltungsanordnung eine schonende und damit lebensdauerverlängernde Betriebsweise der mechanisch bewegten Teile. Durch die Speisung der Triebsysteme mit einer Gleichspannug wird die Störaussendung, insbesondere bei längeren Leitungsverlegungen zwischen der beschriebenen Schaltungsanordnung und dem Triebsystem, weitgehend vermieden.
Es kann eine Zusatzdiode vorgesehen sein, die anodenseitig mit dem Knoten Übertrager-Hauptschalttransistor verbunden und kathodenseitig mit dem Knoten der Kathoden der Gleichrichterbrücke verbunden ist.
Die Gleichrichterbrücke kann durch mehrere Dioden ausgebildet sein. Diese Dioden können beispielsweise schnelle Dioden für die Ausgangsgleichrichtung sein.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Transistor vorgesehen ist und dass die Schaltanordnung derart schaltbar ist, dass eine Halteschaltung mittels eines zweiten Transistors im Leistungskreis aktivierbar ist mithilfe der Rückmagnetisierungsenergie des Übertragers für die Einschaltzeit durch die Aufbereitung einer Gatespannung, wodurch der zweite Transistor angesteuert und nach Ablauf der Einschaltzeit durch das Abschalten des Hauptschalttransistors und dem Fortfall der Rückmagnetisierungsenergie gesperrt wird.
Darüber hinaus ist möglich, dass die Regel- und Steuerschaltung eine PWM-Schaltung (PWM = Pulsweitenmodulation) mit Einschaltzeitbegrenzung aufweist und dass mittels der PWM-Schaltung eine der Spezifik des Triebsystems entsprechendes Impulsmuster abgespeichert ist, welches durch eine entsprechende Anwahl dem jeweiligen Verwendungszweck zugeteilt werden kann.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung eine Microcontrollerschaltung aufweist und dass für die koordinierte Steuerung und Impulsaufbereitung die Microcontrollerschaltung eingesetzt wird.
Zudem ist es möglich, dass eine Thermosicherung, insbesondere eine reversible Thermosicherung, und ein Vorwiderstand für die Steuerstromversorgung, die derart angeordnet sind, dass für den Fehlerfall im Hauptstrompfad die Kombination aus der Thermosicherung und dem Vorwiderstad derart angeordnet und schaltbar ist, dass die durch thermische Verbindung von Thermosicherung und Vorwiderstad Hauptstrompfad unterbrechbar ist.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung weiter eine Sicherheitsschaltung mit einem Optokoppler und mit einer Z-Diode aufweist, die derart schaltbar ist, dass im Falle der Unterbrechung der Ausgangslast eine unzulässig hohe Ausgangsspannung dadurch vermieden wird, dass die Sicherheitsschaltung dergestalt anspricht, dass der Optokoppler über die Z-Diode von der zu hohen Ausgangsspannung im Fehlerfall angesteuert wird und somit der Ausgang des Optokopplers auf die Steuer- und Regelschaltung wirkt und somit die Einschaltdauer für den Leistungstransistor so reduziert wird, dass die Ausgangsspannung auf eine zu lässige Höhe begrenzt bleibt.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung.
Dabei wird bei einem Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetisches Triebsysteme für elektomechanische Vorrichtungen, insbesondere mit mechanisch verriegelter Endlage, mit wenigstens einer Steuerspannungsquelle, mit wenigstens einer Regel- und Steuerschaltung, mit wenigstens einem Triebsystem, mit wenigstens einem Übertrager, mit wenigstens einer Gleichrichterbrücke, mit wenigstens einem Glättungskondensator, mit wenigstens einem Hauptschalttransistor, mittels dessen das Triebsystem in einem charakteristischen Pulsfolgesystem in wenigstens einem Betriebszustand angesteuert wird und wobei der Hauptschalttransistor mit einem Primärzweig des Übertragers in Reihe geschaltet ist, derart verfahren, dass der Übertrager mit der speisenden Spannung verbunden ist und die Sekundärseite des Übertragers die Gleichrichterbrücke speist, deren Ausgangsgleichspannung durch den Glättungskondensator geglättet und zur Spannung der Steuerspannungsquelle addiert wird, so dass eine Speisung mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf erfolgt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein zweiter Transistor vorgesehen ist und dass die Schaltanordnung im Betrieb derart geschaltet wird, daß eine Halteschaltung mittels eines zweiten Transistors im Leistungskreis aktiviert wird mithilfe der Rückmagnetisierungsenergie des Übertragers für die Einschaltzeit durch die Aufbereitung einer Gatespannung, wodurch ein zweiter Transistor angesteuert und nach Ablauf der Einschaltzeit durch das Abschalten des Haupttransistors und dem Fortfall der Rückmagnetisierungsenergie gesperrt wird.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Regel- und Steuerschaltung eine PWM-Schaltung mit Einschaltzeitbegrenzung aufweist und dass mittels der PWM-Schaltung eine der Spezifik des Triebsystems entsprechendes Impulsmuster abgespeichert ist, welches durch eine entsprechende Anwahl dem jeweiligen Verwendungszweck zugeteilt werden kann.
Außerdem ist möglich, dass eine Thermosicherung, insbesondere eine reversible Thermosicherung, und ein Vorwiderstand für die Steuerstromversorgung, die derart angeordnet sind, dass für den Fehlerfall im Hauptstrompfad die Kombination aus der Thermosicherung und dem Vorwiderstand derart geschaltet wird, dass die durch thermische Verbindung von Thermosicherung und Vorwiderstad Hauptstrompfad unterbrochen wird.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung weiter eine Sicherheitsschaltung mit einem Optokoppler und mit einer Z-Diode aufweist, die im Fehlerfall derart geschaltet wird, dass im Falle der Unterbrechung der Ausgangslast eine unzulässig hohe Ausgangsspannung dadurch vermieden wird, dass die Sicherheitsschaltung dergestalt anspricht, dass der Optokoppler über die Z-Diode von der zu hohen Ausgangsspannung im Fehlerfall angesteuert wird und somit der Ausgang des Optokopplers auf die Steuer- und Regelschaltung wirkt und somit die Einschaltdauer für den Leistungstransistor so reduziert wird, dass die Ausgangsspannung auf eine zulässige Höhe begrenzt bleibt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild für ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems sowie ein entsprechendes Verfahren hierzu; und
2 den quantitativen Verlauf der Kraft-Weg-Charakteristik des Einschaltmechanismus der Schaltanordnung gemäß 1.
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung, hier ausgeführt als Batterieschutzschalter mit einem Zugmagneten, dessen Schaltungs- und Funktionsprinzip in 1 sowie nachstehend näher dargestellt ist.
Die Schaltungsanordnung weist eine Regel- und Steuerschaltung 1 auf, die im Einzelnen eine Stabilisierungsschaltung für die interne Steuerspannung U_S mit ZD 1.1, eine Messwerterfassung 1.2, eine PWM-Schaltung (Pulsweitenmodulations-Schaltung) mit Einschaltbegrenzung t 1.3 sowie eine Treiberschaltung 1.4 für den Leistungsschalter (VT2) aufweist.
Des Weiteren weist die Schaltanordnung ein elektromagnetisches Triebsystem 2 auf.
Die Schaltanordnung ist an eine Steuerspannungsquelle mit einer Betriebsspannung (U_B) angeschlossen.
Mit dem Bezugszeichen MB ist das Minuspotential (Hauptstrom) bezeichnet.
Des Weiteren weist die Schaltanordnung einen Einschalttaster S1, einen Vorwiderstand R1 für die Stromversorgung U_S, einen Gateableitwiderstand R2 für den Schalttransistor VT1, einen Entladewiderstand R3 im Entlastungsnetzwerk vom Einschalttransistor für die Selbsthalteschaltung VT2, einen Gateableitwiderstand R4 für den Einschalttransistor VT2 sowie einen Standwiderstand R5 zur Erfassung des Hauptstroms zur Generierung der Regelgröße auf. Weiter sind ein Strombegrenzungswiderstand R6, ein Überspannungsschutz R7, ein niederinduktiver Zwischenkreiskondensator C1, ein Zwischenkreiskondensator C2 mit höherer Speicherkapazität, ein Glättungskondensator C3, ein Kondensator C4 des DRC-Entlastungsnetzwerks für den Einschalttransistor VT2, ein Glättungskondensator C5 für die Ausgangslast vorgesehen. Außerdem weist die Schaltanordnung VD1 eine Falschpoldiode und Freilaufdiode VD1, eine schnelle Diode VD2 des DRC-Netzwerks für den Einschalttransistor VT2, eine Gatespannungsbegrenzung VD3, eine schnelle Gleichrichterdiode VD4 zur Aufbereitung der Gatespannung für den Schalttransistor VT1, schnelle Dioden für die Ausgangsgleichrichtung VD5, VD6, VD7 und VD8 sowie eine Freilaufdiode VD9 für den Schalttransistor VT1, eine Eingangsdrossel L1 (Einschaltstrombegrenzung), eine Thermoschmelzsicherung F1 sowie eine Überstromsicherung F2 auf.
Die Zusatzdiode VD9 ist anodenseitig mit dem Knoten Übertrager T1 – Schalttransistor VT2 verbunden und kathodenseitig mit dem Knoten der Kathoden VD6, VD8 der Gleichrichterbrücke, die durch die Dioden VD5, VD6, VD7, VD8 ausgebildet ist, verbunden ist.
Ferner sind Klemmen 1/2, die Anschlüsse für den Einschalttaster darstellen, eine Klemme 3 als Speiseeingang für die Steuerstromversorgung, eine Klemme 4 für den Anschluss für die Ansteuerung des Schalttransistors VT1, eine Klemme 5 als Minuspotential der Steuerspannungsebene, Klemmen 6/7 als Shuntspannungszuführung für die Regelschaltung mit der Messfelderfassung 1.2, Klemmen 8/9 als Anschluss für die Ausgangslast 2 des elektromagnetischen Triebsystems 2.
Mit dem Bezugszeichen t_Ein ist die Einschaltzeit und mit t_tot die Totzeit bezeichnet.
Die Funktionsweise der Steueranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nun wie nachstehend erläutert:
Der Batterieschutzschalter erreicht im eingeschalteten Zustand eine mechanisch verriegelte, stabile Endlage. Die Funktion des sicheren Anzuges der Zugmagnete und des zuverlässigen Erreichens der mechanisch fixierten Endlage des Batterieschutzschalters muss in einem Spannungsbereich von 65 V bis 150 V gewährleistet sein, wobei die Nennsteuerspannung 110 V beträgt.
Bei dieser Anwendung muss die vorgeschlagene Anordnung absichern, daß trotz stark ansteigendem Kraftbedarf – im Gegensatz zu den allgemein bekannten Schützen – am Ende der Betätigungszeit ausreichend Energie für das Magnetsystem bereitgestellt wird.
Über den Starttaster S1 wird der Einschaltvorgang gestartet, so dass der im Sperrzustand befindliche Transistor VT1 überbrückt und die Regel- und Steuerschaltung über den Vorwiderstand R1 aktiviert wird; die Steuerspannungsaufbereitung 1.1 ist durch ZD symbolisiert. Für die Bildung der Impulsfolge wird ein impulsweitenmoduliertes Signal mit einer konstanten Grundfrequenz von 40 kHz erzeugt.
Die Einschaltzeit t_Ein ist so bemessen, daß unter allen Umgebungsbedingungen die erforderliche Anzugszeit unter Berücksichtigung der zulässigen Betriebszeit für die Zugmagnete eingehalten wird, wie in 2 dargestellt.
Die Zugmagnete 2 sind für den Kurzzeitbetrieb ausgelegt; unzulässig lange Betriebszeiten führen zur Zerstörung. Sollte im Fehlerfall die zulässige Betriebszeit überschritten werden, löst die Thermoschmelzsicherung F1 infolge der thermischen Kopplung mit dem Widerstand R1 aus. Vorwiderstand R1 und die reversible Thermosicherung weisen die gleiche Gehäusegrundform (TO220) auf und sind an den thermischen Kontaktflächen dieser Gehäuse mechanisch miteinander verbunden, so dass im Fehlerfall eine sichere Auslösung in definierter weise gewährleistet ist. Durch die Wahl der Widerstandsbaugröße entsteht ein annähernd thermisch äquivalentes Verhalten zu den Zugmagneten 2.
Der Transistor VT2 wird durch die Regel und Steuerschaltung 1 innerhalb der Zeit t_Ein von 1,6 s der PWM-Schaltung angesteuert, dabei wird zu der Steuer-(Eingangs-)spannung U_B entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Übertragers T1 eine Spannug addiert, die durch die Gleichrichterbrücke mit VD5 bis VD8 gebildet und durch C5 geglättet wird. Durch diese Anornung wird erreicht, dass durch Variation des PWM-Tastverhältnisses die Spannung an den Zugmagneten auf einen Wert sowohl unterhalb als auch oberhalb der Steuerspannung gebracht werden kann. Der Schalter S1 kann nach dem Schließen wieder geöffnet werden; die Selbshalteschaltung mit VT1 versorgt die Schaltung weiter, indem die Rückmagnetisierungsspannung von T1 über die Diode VD4, dem Strombegrenzungswiderstand R6 der Begrenzer- und Stabilisierungsschaltung mit VD3, R2 und C3 dem Gate von VT1 zugeführt wird, so dass dieser einschaltet. Solange die Stufe mit VT2 taktet, bleibt der Leistungskreis über VT1 eingeschaltet. Nach dem Aublauf der Zeit t_Ein schaltet die Stufe mit VT2 ab, der Leistungskreis wird unterbrochen. Nach Ablauf einer Totzeit t_tot kann der Schaltvorgang erneut gestartet werden. Die Totzeit t_tot verhindert, dass durch unsachgemässen Gebrauch die Triebsystemspulen überlastet werden.
Die interne Steuerspannungsaufbereitung 1.1 sichert außerdem durch eine eigene Zeitstufe ab, dass durch eine unsachgemäße Betätigung des Ein-Tasters S1 (Dauereintastung) die Stabilisierung ZD nicht überlastet wird; in einem solchen Fall wird 1.1 nach einer vorgegebenen Zeit, die über der normalen Betriebszeit der Einrichtung liegt, zwangsweise abgeschaltet.
Für eine ausreichende Entkopplung von den inherenten Widerständen der speisenden Quelle U_B sind die Kondensatoren C1 und C2 vorgesehen, wobei durch niederinduktiven Kondensator C1 im Einschaltmoment von VT2 speist und darüber den Wechselstromanteil des Zwischenkreiskondensators C2 mit der wesentlich höheren Kapazität und dem höheren Innenwiderstand übernimmt.
Die Drossel L1 ist für die Einschaltstrombegrenzung und die strommäßige Entlastung von Schalter S1 vorgesehen.
Die Schaltung ist mit einer Stromregelung ausgestattet; über den Shuntwiderstand R5 wird der Hauptstrom im Leistungskreis erfasst und der Messwerterfassung 1.2 zugeführt. Die Messwerterfassung 1.2 stellt die Signale für die Steuer- und Regelschaltung 1.3 bereit, die das Impulsweitenmuster entsprechend der spezifischen Charakteristik des elektromagnetischen Triebsystems 2 aufbereitet. In der Steuer- und Regelschaltung 1.3 können eine Reihe von spezifischen Speisecharakteristiken hinterlegt sein, die in entsprechender Weise angewählt werden können und somit dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechen.
Falls durch einen Fehler beim Einsatz keine Verbindung von den Ausgangsklemmen 8 u. 9 zum Schutzschalter 2 bestehen sollte, wird durch die Steuer- und Regelschaltung 1.3 eine Ausgangsspannungsbegrenzung vorgenommen.
Wie aus 2 ersichtlich, ist die Kraft-Weg-Charakteristik derart, dass beim Überführen des Schaltgeräts 2 von einer der geöffneten Stellungen entsprechenden ersten Schaltstellung s₀ in eine der geschlossenen Stellung entsprechende zweite Schaltstellung s_End über den Stellweg s zunächst eine vergleichsweise niedrige Anfangskraft F_Anf erforderlich ist, die ab einem Druckpunkt s₁ bis hin zu einem Maximalpunkt s₂ auf eine Maximalkraft Fmax anwächst und nach dem Maximalpunkt s₂ bis in die zweite Schaltstellung s_End auf eine Endkraft F_End abfällt. Entsprechend der Kurve dieser Kraft-Weg-Charakteristik wird die Stellkraft F an dem Zugmagneten ZM1, ZM2 erzeugt, so dass die Stellkraft F der Kraft-Weg-Charakteristik des Schaltgeräts 2 angepasst ist.
Durch Anpassen der Stellkraft F an die Kraft-Weg-Charakteristik des Schaltgeräts 2 wird ein mechanisch schonender Betrieb des Schaltgeräts 2 gewährleistet. Insbesondere wird eine überhöhte Stellkraft F vermieden, die bei einem Anschlagen von mechanisch betätigten Bauteilen zu einer Abnutzung oder gar Beschädigung des Schaltgerätes 2 führen könnte.
Zudem wird durch Anpassen der Stellkraft F an die Kraft-Weg-Charakteristik des Schaltgerätes 2 gewährleistet, dass unabhängig von der konkret zur Verfügung stehenden Steuerspannung U_Dauer ein zuverlässiges Schalten des Schaltgerätes 2 erfolgt. Insbesondere wird durch das Wandeln der Steuerspannung U_Dauer in die Zwischenkreisspannung U_ZK und das Anpassen der Stellkraft F an die Kraft-Weg-Charakteristik des Schaltgeräts 2 über den gesamten Spannungsbereich der Steuerspannung U_Dauer gewährleistet, dass genügend Energie zum Schalten des Schaltgeräts 2 vorhanden ist und zudem ein Prellen von mechanisch betätigten Bauteilen des Schaltgeräts 2 ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste
Klemmen:

1/2: Anschlüsse für Einschalttaster
3: Speiseeingang für Steuerstromversorgung
4: Anschluss für Ansteuerung von VT1
5: Minuspotential (Steuerspannungsebene)
6/7: Shuntspannungszuführung für die Regelschaltung mit 1.2
8/9: Anschluss für die Ausgangslast 2
t_Ein: Einschaltzeit
t_tot: Totzeit
F: Stellkraft
F_Anf: Stellkraft im Einschaltmoment
F_max: Stellkraft am Druckpunkt
F_End: Stellkraft am Ende des Stellweges
s: Ankerweg des Zugmagneten
s₀: Ausschaltlage
s₁: Distanz zwischen Ausschaltlage und Druckpunkt
s₂: Distanz zwischen Ausschaltlage und dem erforderlichen Kraftmaximum
s_End: Distanz zwischen Ausschalt- und Endlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202011051972 U1 [0005]

Claims

Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems für elektomechanische Vorrichtungen, insbesondere mit mechanisch verriegelter Endlage, mit wenigstens einer Steuerspannungsquelle (U_B), mit wenigstens einer Regel- und Steuerschaltung (1), mit wenigstens einem Triebsystem (2), mit wenigstens einem Übertrager (T1), mit wenigstens einer Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8), mit wenigstens einem Glättungskondensator (C5), mit wenigstens einem Hauptschalttransistor (VT2), mittels dessen das Triebsystem (2) in einem charakteristischen Pulsfolgesystem ansteuerbar ist und wobei der Hauptschalttransistor (VT2) mit einem Primärzweig des Übertragers (T1) in Reihe geschaltet ist, wobei der Übertrager (T1) mit der speisenden Spannung (U_B) verbunden ist und die Sekundärseite des Übertragers (T1) die Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8) speist, deren Ausgangsgleichspannung durch den Glättungskondensator (C5) geglättet und zur Spannung der Steuerspannungsquelle (U_B) addiert wird, so dass eine Speisung mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Transistor (VT1) vorgesehen ist und dass die Schaltanordnung derart schaltbar ist, dass eine Halteschaltung mittels eines zweiten Transistors (VT1) im Leistungskreis aktivierbar ist mithilfe der Rückmagnetisierungsenergie des Übertragers T1 für die Einschaltzeit (t_Ein) durch die Aufbereitung einer Gatespannung (VD4, R6, VD3, R2, C3), wodurch der zweite Transistor (VT1) angesteuert und nach Ablauf der Einschaltzeit (t_Ein) durch das Abschalten des Hauptschalttransistors (VT2) und dem Fortfall der Rückmagnetisierungsenergie gesperrt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Steuerschaltung (1) eine PWM-Schaltung (1.3) mit Einschaltzeitbegrenzung (1.3) aufweist und daß mittels der PWM-Schaltung (1.3) eine der Spezifik des Triebsystems entsprechendes Impulsmuster abgespeichert ist, welches durch eine entsprechende Anwahl dem jeweiligen Verwendungszweck zugeteilt werden kann.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Microcontrollerschaltung aufweist und dass für die koordinierte Steuerung und Impulsaufbereitung die Microcontrollerschaltung eingesetzt wird.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermosicherung (F1), insbesondere eine reversible Thermosicherung, und ein Vorwiderstand für die Steuerstromversorgung (R1), die derart angeordnet sind, dass für den Fehlerfall im Hauptstrompfad die Kombination aus der Thermosicherung und dem Vorwiderstad derart angeordnet und schaltbar ist, dass die durch thermische Verbindung von Thermosicherung und Vorwiderstand Hauptstrompfad unterbrechbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiter eine Sicherheitsschaltung mit einem Optokoppler und mit einer Z-Diode aufweist, die derart schaltbar ist, dass im Falle der Unterbrechung der Ausgangslast (2) eine unzulässig hohe Ausgangsspannung dadurch vermieden wird, dass die Sicherheitsschaltung dergestalt anspricht, dass der Optokoppler über die Z-Diode von der zu hohen Ausgangsspannung im Fehlerfall angesteuert wird und somit der Ausgang des Optokopplers auf die Steuer- und Regelschaltung (1) wirkt und somit die Einschaltdauer für den Leistungstransistor (VT2) so reduziert wird, dass die Ausgangsspannung auf eine zulässige Höhe begrenzt bleibt.
Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems für elektomechanische Vorrichtungen, insbesondere mit mechanisch verriegelter Endlage, mit wenigstens einer Steuerspannungsquelle (U_B), mit wenigstens einer Regel- und Steuerschaltung (1), mit wenigstens einem Triebsystem (2), mit wenigstens einem Übertrager (T1), mit wenigstens einer Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8), mit wenigstens einem Glättungskondensator (C5), mit wenigstens einem Hauptschalttransistor (VT2), mittels dessen das Triebsystem (2) in einem charakteristischen Pulsfolgesystem in wenigstens einem Betriebszustand angesteuert wird und wobei der Hauptschalttransistor (VT2) mit einem Primärzweig des Übertragers (T1) in Reihe geschaltet ist, wobei der Übertrager (T1) mit der speisenden Spannung (U_B) verbunden ist und die Sekundärseite des Übertragers (T1) die Gleichrichterbrücke (VD5, VD6, VD7, VD8) speist, deren Ausgangsgleichspannung durch den Glättungskondensator (C5) geglättet und zur Spannung der Steuerspannungsquelle (U_B) addiert wird, so dass eine Speisung mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Transistor (VT1) vorgesehen ist und dass die Schaltanordnung im Betrieb derart geschaltet wird, dass eine Halteschaltung mittels eines zweiten Transistors (VT1) im Leistungskreis aktiviert wird mithilfe der Rückmagnetisierungsenergie des Übertragers (T1) für die Einschaltzeit (t_Ein) durch die Aufbereitung einer Gatespannung (VD4, R6, VD3, R2, C3), wodurch der zweite Transistor (VT1) angesteuert und nach Ablauf der Einschaltzeit (t_Ein) durch das Abschalten des Hauptschalttransistors (VT2) und dem Fortfall der Rückmagnetisierungsenergie gesperrt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Steuerschaltung (1) eine PWM-Schaltung (1.3) mit Einschaltzeitbegrenzung (1.3) aufweist und dass mittels der PWM-Schaltung (1.3) eine der Spezifik des Triebsystems entsprechendes Impulsmuster abgespeichert ist, welches durch eine entsprechende Anwahl dem jeweiligen Verwendungszweck zugeteilt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermosicherung (F1), insbesondere eine reversible Thermosicherung, und ein Vorwiderstand für die Steuerstromversorgung (R1), die derart angeordnet sind, dass für den Fehlerfall im Hauptstrompfad die Kombination aus der Thermosicherung und dem Vorwiderstand derart geschaltet wird, dass die durch thermische Verbindung von Thermosicherung und Vorwiderstad Hauptstrompfad unterbrochen wird.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung weiter eine Sicherheitsschaltung mit einem Optokoppler und mit einer Z-Diode aufweist, die im Fehlerfall derart geschaltet wird, dass im Falle der Unterbrechung der Ausgangslast (2) eine unzulässig hohe Ausgangsspannung dadurch vermieden wird, dass die Sicherheitsschaltung dergestalt anspricht, dass der Optokoppler über die Z-Diode von der zu hohen Ausgangsspannung im Fehlerfall angesteuert wird und somit der Ausgang des Optokopplers auf die Steuer- und Regelschaltung (1) wirkt und somit die Einschaltdauer für den Leistungstransistor (VT2) so reduziert wird, dass die Ausgangsspannung auf eine zulässige Höhe begrenzt bleibt.