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Die Erfindung betrifft eine Schalteinheit mit einem elektrischen Relais und einer Relaisansteuerungseinheit, die mit einer Erregerspule des Relais verbunden und zum Schalten des Relais durch Anlegen einer Erregerspannung an der Erregerspule ausgebildet ist, wobei die Relaisansteuerungseinheit zur Festlegung eines Schaltzeitpunktes in Abhängigkeit von einer gemessenen Schaltverzögerung eines vorhergehenden Schaltvorgangs des Relais und eines Korrekturfaktors ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Relais.
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Zum Einsatz kommen derartige Schalteinheiten, um mittels Anlegen der Erregerspannung an einem Erregerstromkreis ein Schalten des Relais mit einem Schließen oder Öffnen eines Laststromkreises zur Versorgung einer Last, insbesondere eines angeschlossenen Geräts, steuern zu können. Die Erregerspule des Relais ist von den Relaiskontakten zum Schalten des Laststromkreises zur Versorgung der Last galvanisch getrennt, so dass eine Potentialtrennung zwischen dem Laststromkreis und dem Erregerstromkreis gewährleistet ist. Der Betätigungszeitpunkt, an dem der Laststromkreis geschlossen oder geöffnet wird, ist in Bezug auf den Schaltzeitpunkt, also den Zeitpunkt des Anlegens oder Deaktivierens der Erregerspannung, aufgrund mechanischer Komponenten des Relais, wie etwa einem Anker und der beweglichen Relaiskontakte, um die Schaltverzögerung verspätet. Die Schaltverzögerung ist daher die Zeitdifferenz zwischen dem Schaltzeitpunkt der Erregerspannung und dem hierdurch ausgelösten Betätigungszeitpunkt der Relaiskontakte.
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Die Relaiskontakte eines Relais sind beim Schließen und/oder Öffnen des Laststromkreises häufig aufgrund von Lichtbögen und/oder hohen Einschaltströmen und/oder Ausschaltströmen besonderen Belastungen ausgesetzt. Diese Stromspitzen und Schaltlichtbögen führen zu Kontaktabbrand an den Relaiskontakten und reduzieren hierdurch die Lebensdauer des Relais.
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Zur Reduzierung des Abbrandes an den Relaiskontakten des Relais zum Schalten des Laststromkreises ist beim Schalten von Wechselstrom erstrebenswert, dass eine Betätigung der Relaiskontakte in einem Zeitpunkt liegt, an dem entweder ein Spannungs-Nulldurchgang oder ein Strom-Nulldurchgang im Laststromkreis vorliegt.
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US 6768615 B2 beschreibt eine Schaltung zur Vermeidung von Funken beim Schalten von Relaiskontakten. Eine erste Schaltung zur Nulldurchgangs-Erkennung ist mit der Spannungsquelle verbunden und erzeugt ein Nulldurchgangs-Signal für eine Steuereinheit, die einen Verzögerungsparameter gespeichert hält. Die Steuereinheit aktiviert eine Spule zum Betätigen der Kontakte zu einem Zeitpunkt, der um den Verzögerungsparameter zeitlich vor einem Nulldurchgang des Wechselstroms liegt, so dass die Kontakte effektiv während eines Nulldurchgangs geschaltet werden. Eine zweite Schaltung zur Nulldurchgangs-Erkennung ist an der Last angeschlossen und erzeugt ein zweites Nulldurchgangs-Signal und sendet dieses zur Steuereinheit. Tritt eine Zeitdifferenz zwischen dem erkannten Nulldurchgang des zweiten Nulldurchgangs-Signals und dem um die Verzögerungszeit nach dem Steuersignal liegenden Zeitpunkt auf, so wird der Verzögerungsparameter um diese Zeitdifferenz korrigiert und neu für zukünftige Schaltvorgänge gespeichert.
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US 5 255 152 A offenbart eine Schalteinheit mit einem elektrischen Relais und einer Relaisansteuerungseinheit, die mit einer Erregerspule des Relais verbunden und zum Schalten des Relais durch Anlegen einer Erregerspannung an der Erregerspule ausgebildet ist. Die Relaisansteuerungseinheit ist zur Festlegung eines Schaltzeitpunktes in Abhängigkeit von einer gemessenen Schaltverzögerung eines vorhergehenden Schaltvorgangs des Relais und eines Korrekturfaktors ausgebildet. Zum Erreichen des optimalen Schaltzeitpunktes wird die Ansteuerleistung der Erregerspule des Relais nachgeregelt. Damit werden Abweichungen bei der Schaltverzögerung z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen und dergleichen durch Veränderung der Ansteuerleistung kompensiert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schalteinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, insbesondere die Nutzbarkeit für verschiedenartige Lasttypen zu verbessern und die Lebensdauer zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Es wird vorgeschlagen, dass bei einer Schalteinheit der eingangs genannten Art die Relaisansteuerungseinheit zur Ermittlung der Ansteuerleistung für die Ansteuerung der Erregerspule des Relais und zur Bestimmung des Korrekturfaktors in Abhängigkeit der ermittelten Ansteuerleistung eingerichtet ist.
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Durch die Erfindung wird eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Wahrscheinlichkeit erzielt, dass das jeweils beabsichtigte Schließen oder Öffnen des Laststromkreises mittels eines Schaltvorgangs zum Zeitpunkt eines Spannungs-Nulldurchgangs oder Strom-Nulldurchgangs erfolgt. Es hat sich nämlich überraschend gezeigt, dass die Ansteuerleistung der Erregerspule die Schaltverzögerung eines Schaltvorgangs des Relais maßgeblich und reproduzierbar beeinflusst. Der Einfluss auf die Schaltverzögerung kann sich je nach konkreten Umständen des Anwendungsfalls ändern und die Schaltverzögerung für einen nachfolgenden Schaltvorgang beeinflussen. Um bei Änderungen in den Betriebsbedingungen eine möglichst präzise Ermittlung der tatsächlichen Schaltverzögerung durch die Relaisansteuerungseinheit zu ermöglichen, wird durch die Ermittlung der Ansteuerleistung und durch das Berücksichtigen dieser Ansteuerleistung zur Bestimmung des Korrekturfaktors eine Modellierung der wahrscheinlichsten Schaltverzögerung durch die Relaisansteuerungseinheit vorgenommen. Somit wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass am Betätigungszeitpunkt der Relaiskontakte das Schließen oder Öffnen des Laststromkreises bei einem Spannungs-Nulldurchgang oder Strom-Nulldurchgang im Laststromkreis erfolgt. Hierdurch werden Stromspitzen und/oder Lichtbögen und somit Verschleiß der Relaiskontakte verhindert oder zumindest reduziert.
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Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Relais nach Patentanspruch 10. Das Relais hat dabei eine Erregerspule und einen durch das Anlegen einer Erregerspannung an die Erregerspule schaltbaren Relaiskontakt, wobei ein Festlegen eines Schaltzeitpunktes in Abhängigkeit von einer gemessenen Schaltverzögerung eines vorhergehenden Schaltvorgangs des Relais und eines Korrekturfaktors erfolgt. Dabei ist erfindungsgemäß ein Ermitteln der Ansteuerleistung für die Ansteuerung der Erregerspule des Relais und Bestimmen des Korrekturfaktors in Abhängigkeit der ermittelten Ansteuerleistung vorgesehen. Das Verfahren ist insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Schalteinheit ausführbar.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Ermittlung der Ansteuerleistung in Abhängigkeit der Erregerspannung an der Erregerspule des Relais eingerichtet sein. In einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Ermitteln der Ansteuerleistung in Abhängigkeit der Erregerspannung an der Erregerspule des Relais vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die Ermittlung der Ansteuerleistung besonders einfach durch Messen der Erregerspannung möglich ist.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Ermittlung der Erregerspannung und des bei an der Erregerspule anliegender Erregerspannung durch die Erregerspule fließenden Erregerstroms und zur Bestimmung der Ansteuerleistung aus dem Produkt aus Erregerspannung und Erregerstrom eingerichtet sein. Entsprechend ist dann bei dem Relaisansteuerungsverfahren vorgesehen, dass ein Ermitteln der Erregerspannung und des bei an der Erregerspule anliegender Erregerspannung durch die Erregerspule fließenden Erregerstroms und Bestimmen der Ansteuerleistung aus dem Produkt aus Erregerspannung und Erregerstrom durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine präzisere Ermittlung der Ansteuerleistung gewährleistet wird, insbesondere auch in Fällen, in denen die Phasengänge von Erregerstrom und Erregerspannung nicht vollständig kongruent sind, da auch in diesen Fällen die Komponente an Wirkleistung der Ansteuerleistung präzise bestimmbar ist.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Ermittlung des beim Schalten des Relais durch die Erregerspule fließenden Erregerstroms und zur Bestimmung der Ansteuerleistung aus dem Produkt des Erregerstroms und der bekannten, konstanten Erregerspannung eingerichtet sein. Somit findet ein Ermitteln des beim Schalten des Relais durch die Erregerspule fließenden Erregerstroms und Bestimmen der Ansteuerleistung aus dem Produkt des Erregerstroms und der bekannten, konstanten Erregerspannung statt. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders präzise Berücksichtigung auch der zeitveränderlichen Erregerströme während des Schaltens des Relais möglich ist. Somit werden auch Einflüsse auf den Zeitverlauf des Erregerstroms bei der Bestimmung des Korrekturfaktors berücksichtigt, die sich durch Änderungen an der Erregerspule, beispielsweise durch eine Restmagnetisierung eines Ferritkerns oder durch Restmagnetisierung eines Ankers des Relais ergeben können. Die derartig bestimmbare Ansteuerleistung kann zur Bestimmung des Korrekturfaktors herangezogen werden, wodurch der Korrekturfaktor differenzierter abhängig vom Zeitverlauf des Erregerstroms bestimmbar ist. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit von Stromspitzen und Funkenbildung beim Betätigungszeitpunkt weiter verringert.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Bestimmung des zum Schalten des Relais an der Erregerspule anliegenden Nennwertes der Erregerspannung und zur Ermittlung der Ansteuerleistung aus diesem Nennwert und einem vorgegebenen Kennwert für das Relais eingerichtet sein. Damit erfolgt ein Bestimmen des zum Schalten des Relais an der Erregerspule anliegenden Nennwertes der Erregerspannung und Ermitteln der Ansteuerleistung aus diesem Nennwert und einem vorgegebenen Kennwert für das Relais. Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuerleistung besonders einfach bestimmbar ist.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Bestimmung des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur des Relais eingerichtet sein. Überraschend hat sich nämlich gezeigt, dass die Temperatur des Relais einen maßgeblichen und reproduzierbaren Einfluss auf die Schaltverzögerung hat. Somit wird ein Bestimmen des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur des Relais vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass ein Einfluss der Temperatur des Relais auf die tatsächliche Schaltverzögerung in dem Korrekturfaktor berücksichtigt werden kann. Ein präzises Schalten der Relaiskontakte im Spannungs-Nulldurchgang und/oder Strom-Nulldurchgang des Laststromkreises ist hierdurch auch dann möglich, wenn zwischen dem vorangegangenen Schaltvorgang eine Temperaturänderung des Relais stattgefunden hat. Somit wird die Funkenbildung oder das Auftreten von Stromspitzen an den Relaiskontakten des Relais und ein Kontaktabbrand noch weniger wahrscheinlich.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Ermittlung der gemessenen Schaltverzögerung als Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen einer Erregerspannung an die Erregerspule des Relais und einem an einem Relaiskontakt gemessenen Spannungssprung und/oder Stromsprung eingerichtet sein. Somit erfolgt ein Ermitteln der gemessenen Schaltverzögerung als Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen einer Erregerspannung an die Erregerspule des Relais und einem an einem Relaiskontakt gemessenen Spannungssprung und/oder Stromsprung. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders präzise Bestimmung der Schaltverzögerung möglich ist und die Schaltverzögerung nicht allein nach Maßgabe eines Spannungs-Nulldurchgangs und/oder Strom-Nulldurchgangs an der Last möglich ist.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Bestimmung des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von der vergangenen Zeit seit dem letzten Schaltvorgang eingerichtet sein. Die Berücksichtigung der vergangenen Zeit seit dem letzten Schaltvorgang erlaubt eine noch präzisere Modellierung des Korrekturfaktors für ein präzises Antizipieren der situationsabhängig am plausibelsten zu erwartenden Schaltverzögerung. Dies beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass die vergangene Zeit seit dem letzten Zeitvorgang einen reproduzierbaren Einfluss auf die tatsächliche Schaltverzögerung hat. Die Bestimmung des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von der vergangenen Zeit seit dem letzten Schaltvorgang erlaubt somit eine noch weitergehende Schonung der Relaiskontakte des Relais und somit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit, insbesondere der erzielbaren Schaltzyklen.
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Die Relaisansteuerungseinheit kann zur Ermittlung des im geschalteten Zustand des Relais durch einen Relaiskontakt fließenden Laststroms und zur Bestimmung des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von dem ermittelten Laststrom eingerichtet sein. Damit erfolgt ein Ermitteln des im geschalteten Zustand des Relais durch einen Relaiskontakt fließenden Laststroms und Bestimmen des Korrekturfaktors in Abhängigkeit von dem ermittelten Laststrom. Dies hat den Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit eines Übereinstimmens der tatsächlichen Schaltverzögerung aus der vorhergehenden Schaltverzögerung mit dem Korrekturfaktor verbessert wird. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass der im geschalteten Zustand des Relais durch einen Relaiskontakt fließende Laststrom einen reproduzierbaren Beitrag zur Schaltverzögerung beiträgt. Durch die Berücksichtigung des Laststroms zur Bestimmung des Korrekturfaktors ist die Wahrscheinlichkeit eines Öffnens des Laststromkreises im Strom-Nulldurchgang des Laststroms weiter verbessert. Hierdurch sind die erfindungsgemäße Schalteinheit und das Verfahren zur Ansteuerung des Relais besonders zum Schalten induktiver Lasten geeignet.
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Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Ansteuerleistung bei der Bestimmung des Korrekturfaktors sowie die in Weiterbildungen vorgesehene Berücksichtigung anderer Größen erlaubt auch bei großen vergangenen Zeiten zwischen Schaltvorgängen und sich verändernden Betriebsparametern der Schalteinheit, insbesondere des Relais, oder der angeschlossenen Last, eine verbesserte Bestimmung des Korrekturfaktors vorzunehmen, so dass die Belastung der Relaiskontakte vermindert wird, insbesondere die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Spannungsspitzen und/oder Stromspitzen und Schaltfunken vermindert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schalteinheit;
- 2: ein Zeitdiagramm zur Schaltverzögerung zwischen Schaltzeitpunkt und Betätigungszeitpunkt beim Schließen des Laststromkreises;
- 3: ein Zeitdiagramm zur Schaltverzögerung zwischen Schaltzeitpunkt und Betätigungszeitpunkt beim Öffnen des Laststromkreises.
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1 zeigt eine Schalteinheit 1, deren Komponenten durch die innerhalb des gestrichelten Rechtecks dargestellten Blöcke veranschaulicht sind. Die Schalteinheit 1 ist hierbei zwischen einer Spannungsquelle 2 und einer Last 3 in Form eines elektrischen Geräts in eine Stromleitung eingeschleift. Die Schalteinheit 1 hat einen Lastanschluss 4. Die Schalteinheit 1 hat weiterhin ein elektromechanisches Relais 5. Das Relais 5 hat Relaiskontakte 6, mittels denen ein Laststromkreis 7 zwischen der Spannungsquelle 2 und der Last 3 schließbar und öffenbar ist. Die Schalteinheit 1 hat eine Anschlusseinrichtung 8, die einen Spannungs- und Stromeingang haben kann, um an die Spannungsquelle 2 anschließbar zu sein. Die Anschlusseinrichtung 8 kann beispielsweise ein Netzstecker, ein anderer Stecker oder eine Buchse sein. Der öffen- und schließbare Laststromkreises 7 erstreckt sich von der Spannungsquelle 2 über die Anschlusseinrichtung 8, die Relaiskontakte 6, den Lastanschluss 4 und die Last 3.
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Ein Schaltvorgang des Relais 5 zum Schließen oder Öffnen des Laststromkreises 7 ist durch elektrische Ansteuerung des Relais 5 möglich. Hierzu hat das Relais 5 eine Erregerspule 9, an die eine Erregerspannung UE anlegbar ist, so dass sich durch die Erregerspule 9 hindurch ein Erregerstrom IE einstellt. Der aus dem Erregerstrom IE resultierende magnetische Fluss durch die Erregerspule 9 führt zu einer Betätigung eines Ankers des Relais 5, der bei seiner Betätigung eine mechanische Bewegung durchführt und dadurch die mechanisch an den Anker gekoppelten Relaiskontakte 6 in galvanische Verbindung miteinander bringt. Hierdurch wird der Laststromkreis 7 geschlossen. Dieser Vorgang stellt einen Schaltvorgang des Relais 5 zum Schließen des Laststromkreises 7 dar.
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Die Erregerspannung UE und der Erregerstrom IE können während des Schaltvorgangs, insbesondere auch durch Induktion in der Erregerspule 9 in Abhängigkeit auch der Bewegung des Ankers, zeitveränderlich variieren. Somit wird eine elektrische Ansteuerleistung PE an der Erregerspule 9 verrichtet, die insbesondere beim Schaltvorgang zeitveränderlich sein kann.
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Einen weiteren möglichen Schaltvorgang stellt ein Abschalten oder Reduzieren der Erregerspannung UE und des Erregerstroms IE dar, so dass die Ansteuerleistung PE reduziert wird. Hierdurch bricht auch der zuvor aufrechterhaltene magnetische Fluss in der Erregerspule 9 zusammen, so dass die Relaiskontakte 6 durch eine Rückstellkraft entgegen der Betätigung des Schaltvorgangs beim Schließen des Laststromkreises 7 wieder geöffnet werden, wobei auch der Anker in seine Ausgangsposition bewegt wird. Durch diesen Schaltvorgang kann der zuvor geschlossene Laststromkreis 7 wieder geöffnet bzw. unterbrochen werden.
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Die Schalteinheit weist weiterhin einen Mikrocontroller 10 auf, durch den das Anlegen der Erregerspannung UE und somit das Aktivieren eines Schaltvorgangs durchführbar ist. Der Mikrocontroller 10 kann eine Treiberstufe zur Bereitstellung der Ansteuerleistung PE enthalten. Alternativ kann eine solche Treiberstufe separat zum Mikrocontroller 10 vorgesehen sein, um die Ansteuerleistung PE bereitzustellen.
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Die Schalteinheit 1 kommt beispielsweise zur Anwendung, um die Stromversorgung der Last 3 derart zu steuern, dass die Last 3 auf eine weitere Regelgröße einwirkt. Beispielsweise ist ein gepulstes Öffnen und Schließen des Laststromkreises 7 realisierbar, um die Last 3 über einen Zeitverlauf nur zeitlich abschnittsweise mit der Spannungsquelle 2 im Sinne eines Stromkreises elektrisch zu verbinden. Die Maßgabe, nach der der Last 3 die Spannungsquelle 2 durch Schaltvorgänge der Schalteinheit 1 zugeschaltet oder von dieser getrennt wird, kann in Abhängigkeit einer Sollgröße erfolgen, die dem Mikrocontroller 10 aus einem separaten Regelkreis außerhalb der Schalteinheit 1 zugeführt wird. Alternativ kann auch eine Regelung einer Regelgröße erfolgen, die unmittelbar durch die Last 3 beeinflusst wird.
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In dem Fall eines durchzuführenden Schaltvorgangs des Relais 5 erfolgt eine Festlegung des Schaltzeitpunktes ts des Relais 5 durch den Mikrocontroller 10. Der Schaltzeitpunkt ts ist zum Schließen des Laststromkreises 7 derjenige Zeitpunkt, an dem die Erregerspule 9 mit der Erregerspannung UE zum Initiieren eines Schaltvorgangs beaufschlagt wird. Der Schaltzeitpunkt ts ist zum Öffnen des Laststromkreises derjenige Zeitpunkt, an dem die Erregerspannung UE über der Erregerspule 9 deaktiviert wird.
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Aufgrund von beispielsweise des stets endlichen Innenwiderstandes der Treiberstufe und der Induktivität der Erregerspule 9, von Ummagnetisierung in der Erregerspule 9, Magnetisierung der Relaiskontakte 6, der Massenträgheit des Ankers des Relais 5 sowie der zu bewegenden massebehafteten Relaiskontakte 6 vergeht nach dem Schaltzeitpunkt eine zeitliche Schaltverzögerung Δts, bis der Betätigungszeitpunkt tB der Relaiskontakte 6 erreicht ist. Der Betätigungszeitpunkt tB ist im Falle des Schließens des Laststromkreises 7 derjenige Zeitpunkt, an dem die Relaiskontakte 6 erstmals miteinander galvanisch in Berührung kommen. Im Falle des Öffnens des Laststromkreises 7 ist der Betätigungszeitpunkt tB derjenige Zeitpunkt, an dem die Relaiskontakte 6 nach einer vorherigen galvanischen Verbindung erstmals nicht mehr galvanisch kontaktiert sind.
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Die Schaltverzögerung Δts variiert in Abhängigkeit verschiedener üblicher Betriebsparameter in einer Größenordnung, die der halben Periodendauer üblicherweise zu schaltender Netzfrequenzen entspricht. Eine halbe Periodendauer ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungsnulldurchgängen oder Stromnulldurchgängen. Dies entspricht bei einer Frequenz von 50 Hertz also einem Zeitabstand von 10 Millisekunden. Übliche Schaltverzögerungen verfügbarer Relais liegen etwa in einem Bereich zwischen 3 Millisekunden und 15 Millisekunden mit einer Toleranz von bis zu 10 Millisekunden.
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Dies bedingt, dass eine empirisch bekannte Schaltverzögerung eines vergangenen Schaltvorgangs häufig nicht sinnvoll heranziehbar ist, um bei einem künftigen Schaltvorgang zum entsprechenden Vorverlagern des Schaltzeitpunkts als unmittelbares Kriterium herangezogen zu werden. Insbesondere führt bei einem künftigen Schaltvorgang eine zeitliche Vorverlagerung des Schaltzeitpunktes in Bezug auf den in einem Nulldurchgang zu bewirkenden Betätigungszeitpunkt um exakt die Schaltverzögerung des vorhergegangenen Schaltvorgangs sehr oft nicht genau dazu, dass der tatsächlich erzielte Betätigungszeitpunkt in dem anvisierten Nulldurchgang liegt, weil sich die tatsächliche Schaltverzögerung Δts im Vergleich zu der zuletzt gemessenen Schaltverzögerung geändert hat.
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Die Schalteinheit 1 verwendet zum zeitlichen Vorverlagern des Schaltzeitpunkts ts vor den in einem Nulldurchgang liegenden anvisierten Betätigungszeitpunkt tB nicht einfach die empirisch bekannte Schaltverzögerung des letzten Schaltvorgangs. Vielmehr misst die Schalteinheit 1 einerseits bei einem Schaltvorgang die Schaltverzögerung Δts, andererseits aber auch die jeweilige Ansteuerleistung PE .
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Die Schalteinheit 1 hat zum Messen der Erregerspannung UE , insbesondere von deren Zeitverlauf, einen ersten Analog-Digital-Wandler 11. Der Analog-Digital-Wandler 11 misst die Erregerspannung UE über der Erregerspule 9 und digitalisiert diese. Der digitalisierte Zeitverlauf der Erregerspannung UE wird an den Microcontroller 10 übertragen, so dass der Zeitverlauf der Erregerspannung UE (t) für Steueraufgaben des Microcontrollers 10 verwendbar ist. Dem ersten Analog-Digital-Wandler 11 ist auf Seite der zu messenden Erregerspannung UE weiterhin eine erste Signalaufbereitungsschaltung 12, insbesondere ein erstes Filter, vorgeschaltet, mittels der eine Filterung und/oder Pegelanpassung bewerkstelligt wird.
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Die Schalteinheit 1 hat zudem einen zweiten Analog-Digital-Wandler 13, der den Zeitverlauf der Betriebsspannung UB der Spannungsquelle 2 analysiert. Hierzu ist der zweite Analog-Digital-Wandler 13 zur Abtastung der zeitlichen Kurve der Betriebsspannung UB der Spannungsquelle 2 oder zur Bestimmung der Zeitpunkte von Nulldurchgängen der Betriebsspannung eingerichtet. Dem zweiten Analog-Digital-Wandler 13 ist eine zweite Signalaufbereitungsschaltung 14, insbesondere ein zweites Filter, auf Seite der zu messenden Betriebsspannung UB der Spannungsquelle 2 vorgeschaltet. Die zweite Signalaufbereitungsschaltung 14 führt eine Filterung und/oder eine Pegelanpassung des analogen Spannungssignals UB durch. Der gemessene Zeitverlauf der Betriebspannung UB der Spannungsquelle 2 wird von dem zweiten Analog-Digital-Wandler 13 in digitaler Form an den Microcontroller 10 übertragen und ist von diesem auswertbar.
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Weiterhin weist die Schalteinheit 1 einen dritten Analog-Digital-Wandler 15 auf, der den Zeitverlauf der Spannung an den Relaiskontakten 6 misst, die der Spannungsquelle 2 abgewandt und mit dem Lastanschluss 4 und der Last 3 verbunden ist. Im Falle, dass der Laststromkreis 7 mittels der Relaiskontakte 6 geschlossen ist, entspricht diese Spannung genau der Spannung der Spannungsquelle 2, sofern kein Spannungsabfall über den Relaiskontakten 6 oder sonstigen Komponenten zwischen der Spannungsquelle 2 und dem dritten Analog-Digital-Wandler 15 auftritt. Der dritte Analog-Digital-Wandler 15 ist zur Abtastung der Kurvenform des Zeitverlaufs der Spannung an den Relaiskontakten 6 und/oder zur Bestimmung der Zeitpunkte von Nulldurchgängen der Spannung an den Relaiskontakten 6 eingerichtet. Dem dritten Analog-Digital-Wandler 15 ist hierbei eine dritte Signalaufbereitungseinrichtung 16, insbesondere ein drittes Filter, vorgeschaltet, mittels welcher eine Filterung und/oder Pegelanpassung vor der Auswertung durch den dritten Analog-Digital-Wandler 15 durchgeführt wird. Die digitalisierten Werte des Spannungsverlaufs an den Relaiskontakten 6 werden wiederum dem Microcontroller 10 zugeführt und sind von diesem verarbeitbar.
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Weiterhin weist die Schalteinheit 1 einen vierten Analog-Digital-Wandler 17 auf, der den Zeitverlauf des Laststromes IL an den Relaiskontakten 6 bestimmt, die der Spannungsquelle 2 abgewandt und mit der Last 3 verbunden ist. Hierzu ist ein Messwiderstand 18 in den Laststromkreis 7 eingeschleift, über dem der vierte Analog-Digital-Wandler 17 den Zeitverlauf des Spannungsabfalls UM misst. Der vierte Analog-Digital-Wandler 17 kann zur Bestimmung des Zeitverlaufs des Laststroms IL aus dem gemessenen Zeitverlauf des Spannungsabfalls UM über dem Messwiderstand 18 eingerichtet sein. In diesem Fall wird der Zeitverlauf des Laststroms IL als digitales Signal an den Microcontroller 10 weitergeleitet. Alternativ kann der vierte Analog-Digital-Wandler 17 zum Umformen des Zeitverlaufs des Spannungsabfalls UM in ein digitales Signal eingerichtet sein. In diesem Fall erfolgt die Bestimmung des Laststromes IL aus dem Spannungsabfall UM durch den Microcontroller 10.
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Dem vierten Analog-Digital-Wandler 17 ist eine vierte Signalaufbereitungseinrichtung 19, insbesondere ein viertes Filter, vorgeschaltet, mittels welcher eine Filterung und/oder Pegelanpassung des Spannungsabfalls UM über dem Messwiderstand 18 vor der Auswertung durch den vierten Analog-Digital-Wandler 19 durchgeführt wird.
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Durch die Abtastung der Kurvenformen der Spannungen UE , UB , UM und der Spannung an den Relaiskontakten 6 und die Wandlung in digitale Signale mittels der Analog-Digital-Wandler 11, 13, 15, 17 ist mittels des Microcontrollers 10 eine Schaltverzögerung Δts eines Schaltvorgangs besonders zuverlässig empirisch bestimmbar. Bei jedem Schaltvorgang bestimmt der Microcontroller 10 die zugehörige tatsächliche Schaltverzögerung Δts.
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Möglich und sinnvoll ist, dass der Microcontroller 10 für die Berechnung von Schaltzeitpunkten ts unterscheidet, ob es sich jeweils um ein Schließen des Laststromkreises 7 zum elektrischen Verbinden der Last 3 mit der Spannungsquelle 2 oder aber um ein Öffnen des Laststromkreises 7 handelt. Für jede der beiden Arten von Schaltvorgängen nimmt der Microcontroller 10 eine andere Art der Bestimmung eines künftigen Schaltzeitpunktes ts vor.
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Aus 2 ist erkennbar, dass der Microcontroller 10 für das Schließen des Laststromkreises 7 in einem Spannungs-Nulldurchgang der Betriebsspannung UB die tatsächliche Schaltverzögerung Δts zutreffend als die Zeit bestimmt, die beim Durchführen eines Schaltvorgangs zwischen dem Zeitpunkt ts des Anlegens der Erregerspannung UE an der Erregerspule 9 und dem Betätigungszeitpunkt tB vergeht. Die Last 2 gemäß 2 ist exemplarisch eine rein ohmsche Last, so dass die Phasengänge der Betriebsspannug UB und des Laststroms IL kongruent sind, also keine Phasenverschiebung φ auftritt.
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Im Falle eines nicht dargestellten Schaltvorgangs, bei dem nach Anlegen der Erregerspannung UE ein plötzlicher Spannungs- oder Stromsprung gemäß dem Signal des dritten Analog-Digital-Wandlers 15 oder des vierten Analog-Digital-Wandlers 17 bei einem verpassten Spannungsnulldurchgang gemessen wird, kann der Microcontroller aus dem Zeitpunkt des Spannungssprungs den tatsächlichen Betätigungszeitpunkt tB ableiten. Dabei entspricht der Zeitpunkt des gemessenen Spannungs- oder Stromsprungs an den Relaiskontakten 6 dem Betätigungszeitpunkt tB , an dem die Relaiskontakte 6 galvanisch kontaktiert werden. Der Microcontroller 10 bestimmt die Schaltverzögerung Δts als die zwischen dem Anlegen der Erregerspannung UE und dem Messen des Spannungs- oder Stromsprungs vergangene Zeit.
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Liegt der Betätigungszeitpunkt tB - aufgrund zutreffender Bestimmung des Schaltzeitpunktes gemäß 2 oder auch eventuell auch nur zufällig - zeitlich exakt in einem Nulldurchgang der Wechselspannung der Spannungsquelle 2, so wird zwar auf der Lastseite des Relais 5 durch den dritten und/oder vierten Analog-Digital-Wandler 15, 17 kein Spannungssprung im Sinne eines steilen Anstiegs in der Spannung der Relaiskontakte oder dem Laststrom IL gemessen, jedoch wird mittels des Microcontrollers 10 bei einem darauffolgenden erstmaligen kontinuierlichen Ansteigen der Spannung oder des Laststromes IL nach dem Nulldurchgang auf einen zeitlich am Beginn des Anstiegs liegenden Betätigungszeitpunkt tB der Relaiskontakte 6 geschlossen. Aus diesem Betätigungszeitpunkt tB wird dann die Schaltverzögerung Δts dieses vergangenen Schaltvorgangs bestimmt. Vorteilhafterweise liegt die Samplingzeit der Analog-Digital-Wandler 11, 13, 15, 17 in einer Größenordnung unter der halben Periodendauer der zu schaltenden Betriebsspannung UB der Spannungsquelle 2. Dies hat den Vorteil, dass die Zeitverläufe der Spannung an den Relaiskontakten 6, die Phasenlagen des zu schaltenden Laststroms IL und/oder der Betriebspannung ÜB zum Schaltzeitpunkt ts und zum Betätigungszeitpunkt tB genau bestimmbar ist. Insbesondere ist somit das häufig sinusförmige Ansteigen von Spannung oder Strom auf der Lastseite des Relais nach Übereinstimmung eines Nulldurchgangs und des Betätigungszeitpunktes tB zuverlässig mittels des Microcontrollers 10 erkennbar.
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3 zeigt exemplarisch für eine andere Last 3 mit induktiver Komponente die zeitlichen Verläufe der Betriebsspannung UB , der am Messwiderstand 18 abfallenden zum Laststrom IL proportionalen Spannung UM und der Erregerspannung UE beim Öffnen eines zuvor geschlossenen Laststromkreises 7. Abweichend von 2 ist daher in 3 eine Phasenverschiebung φ von π/6, beziehungsweise 30 °, zwischen der Betriebsspannung UB und der zum Laststrom IL proportionalen Spannung UM am Messwiderstand 18 gegeben. Erkennbar ist, dass die Schalteinheit 1 den Schaltzeitpunkt ts derart gegenüber der Phasenlage der zum Laststrom IL proportionalen Spannung über dem Messwiderstand UM bestimmt hat, dass der Betätigungszeitpunkt tB der Öffnung des Laststromkreises 7 in einem Strom-Nulldurchgang des Laststroms IL liegt. Hierdurch wird ein Schaltlichtbogen verhindert, der bei der induktiven Last 7 gemäß 3 ansonsten bei einer abrupten Unterprechung des Laststromes IL auftreten würde.
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Soll mittels der Schaltvorrichtung 1 ein Schaltvorgang zum Schließen des Laststromkreises 7 durchgeführt werden, so aktiviert der Microcontroller 10 - um die Schaltverzögerung Δts des vorangegangenen gemessenen Schaltvorgangs sowie eines Korrekturfaktors verfrüht gegenüber einem Spannungsnulldurchgang der Betriebsspannung UB - die Erregerspannung UE . Der Korrekturfaktor wird dabei von einem Steuerprogramm des Microcontrollers 10 je nach verfügbarer Ansteuerleistung PE für jeden Schaltvorgang neu bestimmt. Hierzu verfügt der Microcontroller 10 über ein Speichermittel, in dem eine Korrelation zwischen der Ansteuerleistung PE und dem Korrekturfaktor abgespeichert ist. Aus der gemessenen Schaltverzögerung Δts eines vergangenen Schaltvorgangs mit der dabei verwendeten Ansteuerleistung PE und der für einen anstehenden Schaltvorgang verfügbaren Ansteuerleistung PE bestimmt der Microcontroller 10 den Korrekturfaktor für den nächsten Schaltvorgang. Somit wird eine Änderung in der Schaltverzögerung Δts, soweit sie durch den reproduzierbaren Einfluss der Ansteuerleistung PE verursacht wird, durch den Korrekturfaktor antizipiert. Das Kontaktieren der Relaiskontakte 6 während eines Nulldurchgangs oder bei einer Phasenlage nahe eines Spannungsnulldurchgangs der Betriebsspannung UB wird damit gegenüber dem Stand der Technik ohne Berücksichtigung der Ansteuerleistung PE wahrscheinlicher.
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Die für den Schaltvorgang zu erwartende Ansteuerleistung PE kann der Microcontroller 10 aus der verfügbaren Erregerspannung UE näherungsweise bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann der Microcontroller 10 zum Bestimmen der Ansteuerleistung PE aus dem Produkt aus dem Erregerstrom IE und der Erregerspannung UE eingerichtet sein. Ebenso kann der Microcontroller 10 bei konstanter Erregerspannung UE zum Bestimmen der Ansteuerleistung PE durch Auswertung des Erregerstroms IE eingerichtet sein. Möglich ist zudem, dass der Microcontroller 10 zum Bestimmen der Ansteuerleistung PE aus einem anliegenden Nennwert der Erregerspannung UE des Relais 5 und einem vorgegebenen Kennwert des Relais 5 eingerichtet ist.
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Die vorstehende Funktion der Schalteinheit 1 ist analog für Berechnung von Schaltzeitpunkten ts zum Öffnen des Laststromkreises 7 durch Deaktivieren der Erregerspannung UE durch den Microcontroller 10 implementiert, wie exemplarisch durch die Spannungsverläufe gemäß 3 gezeigt. Entsprechend bestimmt der Microcontroller 10 einen Korrekturfaktor für Abschaltvorgänge. Dabei ist von dem Microcontroller 10 als Kriterium zur Bestimmung des Betätigungszeitpunkts tB der Relaiskontakte 6 zum Messen der Schaltverzögerung Δts der Zeitpunkt des Beginns des Absinkens des Laststromes IL aus dem Zeitpunkt des Beginns des Absinkens der Spannung UM über dem Messwiderstand 18 ermittelbar.
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Bei allen vorstehenden Ausführungsformen kann weiterhin die seit einem vergangenen Schaltvorgang und einem durchzuführenden künftigen Schaltvorgang verstrichene Zeit bei der Bestimmung des Korrekturfaktors durch den Microcontroller 10 berücksichtigt werden. Hierzu weist die Schalteinheit 1 einen Zeitmesser 20 auf. Der Zeitmesser 20 kann separat zu dem Microcontroller 10 angeordnet sein oder in diesen integriert sein. Durch das Berücksichtigen des Einflusses der seit dem letzten Schaltvorgang verstrichenen Zeit wird deren reproduzierbarer Einfluss auf die Schaltverzögerung Δts entsprechend der Berücksichtigung der Ansteuerleistung PE zur Bestimmung des Korrekturfaktors herangezogen. Die Wahrscheinlichkeit, mit der Schalteinheit 1 das Öffnen oder Schließen des Laststromkreises 7 während oder nahe der Phasenlage eines Spannungs- oder Stromnulldurchgangs zu bewerkstelligen, wird damit weiter verbessert. Die Lebensdauer der Relaiskontakt 6 und damit der gesamten Schalteinheit 1 wird somit weiter verbessert.
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Eine weitere Optimierung bei der Bestimmung des Korrekturfaktors kann durch Berücksichtigung der Temperatur T des Relais 5 bei allen vorstehenden Ausführungsformen mit vorgesehen sein. Hierzu weist die Schalteinheit 1 einen Temperatursensor 21 in oder an dem Relais 5 auf. Das Temperatursignal des Temperatursensors 21 wird durch einen fünften Analog-Digital-Wandler 22 in ein digitales Temperatursignal umgeformt und gegebenenfalls eine Pegelanpassung durchgeführt, so dass das Temperatursignal dem Microcontroller 10 zuführbar ist. Zwischen dem Temperatursensor 21 und dem fünften Analog-Digital-Wandler 22 kann auch ein Messumformer eingeschleift sein. Der Microcontroller 10 ist dabei dazu eingerichtet, die Temperatur T bei einem vergangenen Schaltvorgang und eine erfolgte Änderung bis zu einem anstehenden künftigen Schaltvorgang entsprechend der Berücksichtigung der Ansteuerleistung PE , des Laststromes IL und/oder der seit dem letzten Schaltvorgang verstrichenen Zeit zu berücksichtigen.
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Der Lastanschluss 4, die Anschlusseinrichtung 8, der Mikrocontroller 10, der erste Analog-Digital-Wandler 11, die ersten Signalaufbereitungsschaltung 12, der zweite Analog-Digital-Wander 13, die zweite Signalaufbereitungsschaltung 14, der dritte Analog-Digital-Wandler 15, die dritte Signalaufbereitungseinrichtung 16, der vierte Analog-Digital-Wandler 17, die vierte Signalaufbereitungseinrichtung 19, der Messwiderstand 18, der Zeitmesser 20, der Temperatursensor und/oder der fünfte Analog-Digital-Wandler 22 sind dabei Komponenten einer Relaisansteuerungseinheit 23.
