DE102019213390A1

DE102019213390A1 - Method for controlling an electrical switch

Info

Publication number: DE102019213390A1
Application number: DE102019213390.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Engel; Stefan Engert; Rolf Spilger
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2020-03-26
Also published as: CN110942940A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Schalters (S1, S2), welcher eine Wechselspannung schaltet und einen Steuerungsrechner (1) zur Ansteuerung des Schalters (S1, S2) und zur Erfassung des Phasenwinkels eines Stroms im Schalter (S1, S2) aufweist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuerungsrechner (1) beim Schalten des Schalters (S1, S2) neben einem Nulldurchgang des Stroms zusätzlich eine Zeitdauer berücksichtigt und den Schaltzeitpunkt um diese Zeitdauer verändert.The invention relates to a method for controlling an electrical switch (S1, S2), which switches an AC voltage and has a control computer (1) for controlling the switch (S1, S2) and for detecting the phase angle of a current in the switch (S1, S2) . The invention is characterized in that when the switch (S1, S2) is switched, the control computer (1) also takes into account a time period in addition to a zero crossing of the current and changes the switching time by this time period.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Schalters, welche eine Wechselspannung schaltet und einen Steuerungsrechner zur Ansteuerung des Schalters und zur Erfassung des Phasenwinkels eines Stroms im Schalter aufweist.The present invention relates to a method for controlling an electrical switch, which switches an AC voltage and has a control computer for controlling the switch and for detecting the phase angle of a current in the switch.

Aus dem Stand der Technik wie dem Patent US 4,356,525 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Schaltkreises bekannt, bei dem mehrere Schalter parallel angeordnet sind, wobei im Nulldurchgang eine Spannung erfasst wird und die Schalter derart angesteuert werden, dass ein minimaler Gleichspannungs-Offsetstrom entsteht. Mehrere parallel angeordnete Schalter, insbesondere mehrere parallel angeordnete Relais, werden immer dann verwendet, wenn ein einzelnes Relais beim Ein- oder Ausschalten vom anliegenden Strom überlastet wäre und so die Gefahr eines zu starken Lichtbogens mit Verschweißen der Relaiskontakte bestünde. Die Parallelschaltung von Relais hat allerdings den Nachteil, dass sie nur dann effektiv funktioniert, wenn die Relais auch alle parallel und gleichzeitig ein- bzw. ausschalten, da es sonst zumindest eine kurze Zeitspanne gibt, währenddessen ein einziges Relais den gesamten Strom führen muss und somit weiterhin überlastet sein könnte. Bei einer Parallelschaltung von Relais muss also sichergestellt werden, dass alle Relais tatsächlich auch gleichzeitig schalten, egal wie groß die jeweilige herstellungsbedingt unterschiedliche Einschaltverzögerung eines Relais ist. Weiterhin hat sich gezeigt, dass die Relais aufgrund ihrer mechanischen Komponenten zum Prellen neigen, wenn das Relais den Stromkreis schließt. Dies bedeutet, dass der Kontakt beim Schließen des Relais kurzzeitig ein- oder mehrmals wieder geöffnet wird, bis der Prellvorgang des Kontakts abgeklungen ist. Bei jedem kurzzeitigen Öffnen beim Prellvorgang entsteht ein Lichtbogen, welcher wiederum den Kontakt des Relais überlasten und zerstören kann.From the prior art such as the patent US 4,356,525 A method for controlling a circuit is known in which a plurality of switches are arranged in parallel, a voltage being detected in the zero crossing and the switches being controlled in such a way that a minimal DC offset current is produced. Several switches arranged in parallel, in particular several relays arranged in parallel, are always used when a single relay would be overloaded by the applied current when it was switched on or off and there would be a risk of an excessive arc welding the relay contacts. However, the parallel connection of relays has the disadvantage that it only works effectively if the relays all switch on and off in parallel and at the same time, since otherwise there is at least a short period of time during which a single relay must carry all of the current and thus could still be overloaded. When relays are connected in parallel, it must be ensured that all relays actually switch at the same time, regardless of the size of the respective switch-on delay of a relay due to the manufacturing process. Furthermore, it has been shown that the relays tend to bounce due to their mechanical components when the relay closes the circuit. This means that when the relay closes, the contact is opened again briefly one or more times until the contact bouncing process has subsided. Each time it is opened briefly during the bouncing process, an arc arises, which in turn can overload and destroy the contact of the relay.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Schalters zu schaffen, welcher eine Überlastung des Schalters auch bei einem kurzzeitigen Wiederöffnen, wie z.B. beim Schließen eines Relais mit Prellvorgang, ermöglicht.It is therefore an object of the present invention to provide a method for controlling an electrical switch, which overloads the switch even when it is reopened for a short time, e.g. when closing a relay with bouncing process.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved according to the invention by claim 1, advantageous refinements of the present invention result from the subclaims, the description and the figures.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Steuerungsrechner zur Ansteuerung des elektrischen Schalters beim Schalten des Schalters neben dem Phasenwinkel des Stroms zusätzlich eine Zeitdauer berücksichtigt und den Schaltzeitpunkt und diese Zeitdauer verändert. Beim Einsatz eines Relais mit einer bestimmten Prellzeitdauer kann so diese Prellzeitdauer entsprechend berücksichtigt werden, so dass der Nulldurchgang des Stroms nicht direkt beim erstmaligen Schließen des Schalters liegt, sondern so liegt, dass auch während der Prellzeit ein möglichst geringer Strom fließt und eine Beschädigung des Relais verhindert wird. Grundsätzlich kann diese Art der Ansteuerung eines elektrischen Schalters sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten des Schalters verwendet werden.According to the invention, it is provided that the control computer for controlling the electrical switch when switching the switch also takes into account a time period in addition to the phase angle of the current and changes the switching time and this time period. When using a relay with a certain bounce time, this bounce time can be taken into account accordingly, so that the zero crossing of the current is not directly when the switch is closed for the first time, but is such that the lowest possible current flows during the bounce time and damage to the relay is prevented. Basically, this type of control of an electrical switch can be used both when switching on and when switching off the switch.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schalter ein Relais ist und dass der Schaltzeitpunkt am Ende der Prelldauer liegt. Hier liegt dann der Nulldurchgang des Stroms beim letzten Schließen der Relaiskontakte und löscht so den Lichtbogen final. Es ist aber auch möglich, den Schaltzeitpunkt ungefähr in die Mitte der Prelldauer zu legen. Diese Lösung hat sich als effektiv erwiesen, um Überlastungen eines Relais durch ein Relaisprellen zu vermeiden.In a particularly advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the switch is a relay and that the switching time is at the end of the bounce time. This is where the current crosses when the relay contacts are last closed, thus finally extinguishing the arc. However, it is also possible to place the switching time approximately in the middle of the bounce time. This solution has proven to be effective in preventing relay overloading from relay bouncing.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass zu dem Schalter ein zweiter Schalter parallel angeordnet ist, welcher ebenfalls durch den Steuerungsrechner angesteuert wird, und dass die Schalter unterschiedliche Schaltverzögerungen aufweisen. Durch die Parallelschaltung zweier Schalter können die Ströme im Betrieb und beim Schließen und Öffnen eines Relais deutlich reduziert werden, so dass eine Überlastung eines Schalters verhindert wird. Vorteilhafterweise ist dabei vorgesehen, dass die durch Fertigungstoleranzen bedingt unterschiedlichen Schaltverzögerungen der Schalter, insbesondere Relais, durch einen unterschiedlichen Schaltzeitpunkt im Steuerungsrechner zur Ansteuerung der elektrischen Schalter berücksichtigt werden, so dass beide Relais effektiv zum gleichen Zeitpunkt schalten. Auf diese Art und Weise ist es möglich, Schalter bzw. Relais mit unterschiedlichen Schaltverzögerungen beim Öffnen bzw. Schließen der Kontakte zu verwenden und die Abweichungen durch eine entsprechende Ansteuerung des Steuerungsrechners zu kompensieren. Alterung, Temperaturschwankungen etc. beeinflussen die Einschaltzeiten von elektromechanischen Schaltern. Die Einschaltzeit des jeweiligen Schalters kann man durch einen kleinen Prüfstrom dynamisch erfassen und entsprechend über eine Software verarbeiten. Somit lassen sich parallel geschaltete Relais zeitlich synchron in einem vorgegebenen Winkel schalten.In a further embodiment of the present invention, it is provided that a second switch is arranged in parallel with the switch, which is also controlled by the control computer, and that the switches have different switching delays. By connecting two switches in parallel, the currents during operation and when closing and opening a relay can be significantly reduced, so that overloading of a switch is prevented. It is advantageously provided that the different switching delays of the switches, in particular relays, caused by manufacturing tolerances are taken into account by a different switching time in the control computer for controlling the electrical switches, so that both relays switch effectively at the same time. In this way, it is possible to use switches or relays with different switching delays when opening or closing the contacts and to compensate for the deviations by appropriately controlling the control computer. Aging, temperature fluctuations etc. affect the switch-on times of electromechanical switches. The switch-on time of the respective switch can be dynamically recorded using a small test current and processed accordingly using software. Relays connected in parallel can thus be switched synchronously in time at a predetermined angle.

Anstelle der Kompensierung durch eine geänderte Ansteuerung ist es auch möglich, durch das vorgegebene Einschaltfenster unterschiedlich lange Einschalt-/ bzw. Prellzeiten in gewissem Rahmen zuzulassen. Hier ist dann keine Angleichung durch den Steuerungsrechner erforderlich. Bis zum Nulldurchgang des Stroms sollten dann allerdings beide Kontakte geschlossen sein. Damit kann die Toleranz der Schaltverzögerung größer sein, was wiederum den Einsatz preiswerterer Schalter erlaubt und gleichzeitig sicherstellt, dass Schalter mit unterschiedlichen Schaltverzögerungen effektiv zum gleichen Zeitpunkt ein- und ausschalten und somit keine auch kurzzeitige Überlastung eines Schalters beim Schaltvorgang stattfindet.Instead of compensation by a modified control, it is also possible, to a certain extent, to switch on or bounce times of different lengths through the predetermined switch-on window allow. No adjustment by the control computer is then necessary here. However, both contacts should be closed until the current crosses zero. This means that the tolerance of the switching delay can be greater, which in turn allows the use of cheaper switches and at the same time ensures that switches with different switching delays effectively switch on and off at the same time and thus there is no short-term overloading of a switch during the switching process.

Die Schalter können dabei so ausgestaltet sein, dass sie nicht nur einphasig, sondern auch zweiphasig schalten, insbesondere sowohl den Nullleiter als auch den Leiter gleichzeitig schalten. Auf diese Art und Weise muss nicht für jede Phase ein eigener Schalter vorgesehen sein und zwei Phasen können mit einem Schalter geschaltet werden.The switches can be designed so that they switch not only single-phase, but also two-phase, in particular switch both the neutral conductor and the conductor simultaneously. In this way, a separate switch does not have to be provided for each phase and two phases can be switched with one switch.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt insbesondere beim Einschalten von Kurzschlussströmen sicher, dass die Schaltkontakte auch kurzzeitig nicht thermisch überlastet werden und somit kein Verschweißen stattfindet. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Schaltern, z.B. in Batterieladegeräten für Elektroautos erforderlich, da hier hohe Ströme fließen und sichergestellt werden muss, dass auch bei einem Kurzschluss der Schalter sicher schließt bzw. trennt. Gleichzeitig können mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Belastungen der Kontakte im normalen Betriebsfall reduziert werden und so die Lebensdauer der Relais verbessert werden.The method according to the invention ensures, in particular when switching on short-circuit currents, that the switch contacts are not thermally overloaded for a short time, and thus no welding takes place. This is particularly the case with safety-relevant switches, e.g. required in battery chargers for electric cars, since high currents flow here and it must be ensured that the switch closes or disconnects safely even in the event of a short circuit. At the same time, with this method according to the invention, the loads on the contacts in normal operation can be reduced and the life of the relays can be improved.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1: einen elektrischen Schaltkreis mit zwei zweiphasigen Relais und einem Steuerungsrechner zur Ansteuerung der Schalter und zur Erkennung der Phasenwinkel des Stroms und
2: den erfindungsgemäßen Bereich beim Einschalten eines Kurzschlussstroms an den beiden parallel geschalteten Relais.

The present invention is described and explained in more detail below with reference to two figures. Show it:

1 : an electrical circuit with two two-phase relays and a control computer to control the switches and to detect the phase angle of the current and
2nd : the range according to the invention when a short-circuit current is switched on at the two relays connected in parallel.

Der Schaltkreis in 1 ist in der Lage, zwei Phasen, nämlich den Nullleiter N und den Leiter L, beim Auftreten eines Kurzschlussstroms zuverlässig einzuschalten. Dazu sind die beiden parallel geschalteten Schalter S1, S2, welche hier als Relais ausgeführt sind, an einen Steuerungsrechner 1 angeschlossen, welcher zum einen die beiden Schalter S1, S2 ansteuert und zum anderen die Phasenwinkelerfassung 3 des Stroms durchführt. Der Steuerungsrechner 1 ist zudem mit Ground G verbunden. Die Phasenwinkelerfassung 3 dient dazu, den aktuellen Phasenwinkel der Versorgungsspannung zu erfassen und ein Einschalten möglichst kurz vor dem Nulldurchgang des Kurzschlussstroms durchzuführen, da hier eine geringste Verlustleistung auftritt. Jeder der beiden Schalter S1, S2 weist einen Schaltereingang Leiter Lin1, Lin2 auf sowie einen Schaltereingang Nullleiter Nin1, Nin2. Auf der Ausgangsseite der beiden Schalter S1, S2 ist ein Schalterausgang Leiter Lout 1, Lout 2 vorhanden sowie ein Schalterausgang Nullleiter Nout1, Nout2. An den Ausgängen der beiden Schalter S1, S2 befindet sich eine Steckerverbindung ST, welche z.B. in die Steckerbuchse eines Elektroautos eingesteckt werden kann, um dieses zu laden. Wenn wegen technischer Fehlfunktion ein Kurzschlussstrom auftritt, so müssen die beiden Schalter S1, S2 diesen Kurzschlussstrom sicher führen. Dabei darf beim Einschalten der Schalter S1, S2 kein Verschweißen der Kontakte erfolgen, da sonst die beiden Schalter S1, S2 nicht mehr zuverlässig öffnen können.The circuit in 1 is capable of two phases, namely the neutral conductor N and the leader L to reliably switch on when a short-circuit current occurs. There are two switches connected in parallel S1 , S2 , which are implemented here as relays, to a control computer 1 connected, which on the one hand the two switches S1 , S2 controls and on the other hand the phase angle detection 3rd of the current. The control computer 1 is also with Ground G connected. The phase angle detection 3rd is used to record the current phase angle of the supply voltage and to switch it on as shortly as possible before the short-circuit current crosses zero, since the lowest power loss occurs here. Each of the two switches S1 , S2 has a switch input conductor Lin1 , Lin2 on as well as a switch input neutral Nin1 , Nin2 . On the output side of the two switches S1 , S2 is a switch output conductor Lout 1 , Lout 2nd available as well as a switch output neutral conductor Nout1 , Nout2 . At the outputs of the two switches S1 , S2 there is a plug connection ST , which can be plugged into the socket of an electric car, for example, to charge it. If a short-circuit current occurs due to a technical malfunction, the two switches must S1 , S2 conduct this short-circuit current safely. The switch may switch on S1 , S2 the contacts are not welded, otherwise the two switches S1 , S2 can no longer open reliably.

In 2 ist zu erkennen, zu welchem Zeitpunkt das Einschalten der Schalter S1, S2 sicher erfolgen sollte. In 2 ist dazu der Stromverlauf über dem Phasenwinkel abgebildet. Kurz vor dem Nulldurchgang ist dabei jeweils ein sogenannter sicherer Bereich SB eingezeichnet, in dem vorzugsweise die beiden Schalter S1, S2 eingeschaltet werden, so dass auch ein Relaisprellen, das ist ein kurzzeitiges Öffnen des Relais nach erstmaligem Schließen, berücksichtigt werden kann. Versuche haben dabei ergeben, dass der optimale Einschaltpunkt zwischen 125 bis 145 ° und 305 bis 325 ° liegt, um das Relaisprellen abzufangen. Mit etwas Unsicherheit ist dabei eine Toleranz von ± 10 % zu berücksichtigen. Daraus folgt, dass bauteilbedingte Abweichungen und Streuungen der Relais beim Schaltzeitpunkt entsprechend nicht größer als 20 ° sein dürfen. Da die Relais bauteilbedingt unterschiedliche Einschaltzeiten aufweisen, hilft der gewählte Einschaltwinkel dabei, die Belastung auf ein Relais so lange zu minimieren, bis das zweite Relais ebenfalls geschlossen ist und der Strom mit beiden Schaltern S1, S2 sicher geführt wird. Dabei wird das Kontaktprellen des Relais berücksichtigt, um einen für die Kontakte schädlichen Lichtbogen möglichst schnell im Nulldurchgang zu löschen. Dabei hilft die Phase im Nulldurchgang, wobei entsprechend das Ende der Prellzeit der Schalter S1, S2 im Bereich des Nulldurchgangs des Stromes liegen sollte, woraus sich die zuvor genannten Phasenwinkelbereiche für das Einschalten ergeben. Zusätzlich hilft der stromlose Zustand im Nulldurchgang dabei, die Kontakte sicher zu schließen. Auf diese Art und Weise wird die Funktionssicherheit eines Schaltkreises zum Schalten eines Kurzschlussstroms deutlich erhöht und ein Kontaktversagen, d.h. das Verschweißen der Kontakte in den Schaltern S1, S2, kann reduziert werden. Aufgrund der Parallelschaltung der beiden Schalter S1, S2 reduzieren sich die Verluste pro Schalter S1, S2 auf ein Viertel, so dass die Schalter S1, S2 erheblich weniger belastet werden.In 2nd you can see when the switches are turned on S1 , S2 should be done safely. In 2nd the current curve is shown over the phase angle. Shortly before the zero crossing there is a so-called safe area SB located in which preferably the two switches S1 , S2 be switched on, so that a relay bounce, that is a brief opening of the relay after the first closing, can be taken into account. Tests have shown that the optimum switch-on point is between 125 to 145 ° and 305 to 325 ° to intercept the relay bounce. With a little uncertainty, a tolerance of ± 10% must be taken into account. It follows from this that component-related deviations and variations in the relays at the time of switching may not be greater than 20 °. Since the relays have different switch-on times due to the components, the selected switch-on angle helps to minimize the load on one relay until the second relay is also closed and the current with both switches S1 , S2 is conducted safely. The contact bounce of the relay is taken into account in order to extinguish an arc harmful to the contacts as quickly as possible in the zero crossing. The phase helps in the zero crossing, with the end of the bounce time corresponding to the switch S1 , S2 should be in the range of the zero crossing of the current, which results in the aforementioned phase angle ranges for switching on. In addition, the de-energized state at zero crossing helps to securely close the contacts. In this way, the functional reliability of a circuit for switching a short-circuit current is significantly increased and contact failure, ie the welding of the contacts in the switches S1 , S2 , can be reduced. Due to the parallel connection of the two switches S1 , S2 the losses per switch are reduced S1 , S2 to a quarter so the switch S1 , S2 be significantly less stressed.

Bezugszeichenliste Reference list

11: SteuerungsrechnerControl computer
22nd: Relais-AnsteuerungRelay control
33rd: Phasenwinkel-Erfassung Phase angle detection
S1S1: erster Schalterfirst switch
S2S2: zweiter Schaltersecond switch
NN: NullleiterNeutral conductor
LL: Leiterladder
GG: Ground Ground
Lin1Lin1: Schaltereingang LeiterSwitch input conductor
Lin2Lin2: Schaltereingang LeiterSwitch input conductor
Nin1Nin1: Schaltereingang NullleiterSwitch input neutral
Nin2Nin2: Schaltereingang Nullleiter Switch input neutral
Lout 1Lout 1: Schalterausgang LeiterSwitch output conductor
Lout 2Lout 2: Schalterausgang LeiterSwitch output conductor
Nout1Nout1: Schalterausgang NullleiterSwitch output neutral conductor
Nout2Nout2: Schalterausgang Nullleiter Switch output neutral conductor
STST: SteckerverbindungConnector
SBSB: Sicherer BereichSafe area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 4356525 [0002]

Claims

Method for controlling an electrical switch (S1, S2) which switches an alternating voltage and has a control computer (1) for controlling the switch (S1, S2) and for detecting the phase angle of a current in the switch (S1, S2), characterized in that that when the switch (S1, S2) is switched, the control computer (1) also takes into account a time period in addition to a zero crossing of the current and changes the switching time by this time period.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the switch (S1, S2) is a relay and the additional time is a bounce time of the relay (S1, S2).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switching is the switching on of the switch (S1, S2).

Procedure according to Claim 3 , characterized in that the switching time is at the end of the bounce time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second switch (S2) is arranged in parallel with the switch (S1), which is also controlled by the control computer (1), and in that the switches (S1, S2) have different switching delays exhibit.

Procedure according to Claim 5 , characterized in that the two switches (S1, S2) are each a relay and that different switching delays of the relays (S1, S2) are taken into account by a different switching time in the control computer (1), so that both relays (S1, S2) switch effectively at the same time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the switches (S1, S2) are designed such that they switch both neutral conductor (N) and conductor (L) simultaneously.