-
Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen elektromagnetischen Aktor, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors sowie einen Mittelspannungsleistungsschalter mit einem elektromagnetischen Aktor und der Ansteuerschaltung
-
Elektromagnetische Aktoren sind universell einsetzbare, wohlbekannte Vorrichtungen, die einen elektrischen Stromfluss in eine mechanische Aktion, in der Regel eine gerichtete Kraftwirkung, umsetzen. Sie weisen eine Reihe von Vorteilen auf, weswegen sie bis heute vielfach nicht durch andere Vorrichtungen ersetzt werden.
-
Einer der Vorteile liegt darin, dass ein sehr breites Spektrum von Baugrößen sowie ein sehr breites Spektrum von realisierbaren Kräften erzielen. Mit Blick auf die Anwendung von elektromagnetischen Aktoren in elektrischen Schaltvorrichtungen ist ein weiterer Vorteil darin zu sehen, dass (anders als bei Halbleiterschaltern) über der Schaltvorrichtung im geschlossenen Zustand keine Spannung abfällt und eine elektromagnetisch betriebene Schaltvorrichtung somit praktisch verlustleistungsfrei arbeitet.
-
In bestimmten Anwendungen hat sich daher die Verwendung hybrider Schalter als vorteilhaft herausgestellt, bei denen ein Halbleiterschalter und eine elektromagnetisch betriebene Schaltvorrichtung parallel geschaltet sind und nacheinander eingeschaltet werden. Eine solche hybride Schaltvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2018 100 974 A1 bekannt. Die
DE 10 2018 100 974 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Beaufschlagen eines elektrischen Verbrauchers mit einem elektrischen Signal. In einem ersten Signalzweig ist ein Halbleiterschalter angeordnet ist und in einem zweiten Signalzweig ist ein Relais angeordnet ist. Beide Signalzweige können angesteuert werden, den elektrischen Verbraucher mit einem Signalanschluss elektrisch zu verbinden. Ein Sensor ist vorgesehen, das elektrische Signal innerhalb eines Überprüfungszeitintervalls auf einen Polaritätswechsel hin zu überprüfen. Eine Steuerung ist vorgesehen, im Falle eines erfassten Polaritätswechsels einen ersten Signalzeitpunkt zum Ansteuern des Halbleiterschalters und einen zweiten Signalzeitpunkt zum Ansteuern des Relais zu bestimmen, wobei der erste Signalzeitpunkt und der zweite Signalzeitpunkt in einem Zeitintervall liegen, welches durch zwei aufeinanderfolgende und entgegengesetzte Polaritätswechsel des elektrischen Signals bestimmt ist, wobei zunächst der Halbleiterschalter geschlossen wird, anschließend das Relais geschlossen wird und nachfolgend der Halbleiterschalter wieder geöffnet wird.
-
In Mittelspannungsschaltanlagen werden häufig die genannten elektromagnetisch betriebenen Schaltvorrichtungen bevorzugt. Solche Schaltvorrichtungen sind beispielsweise aus der
EP 1 829 068 B1 bekannt.
10 dieser Veröffentlichung zeigt zwei verschieden dimensionierte elektromagnetische Aktoren 92 und 95, die von einer Ansteuerschaltung 91 so angesteuert werden, dass ein Öffnen der Kontaktbrücke 74 auch im Fall verschweißter Kontakte 1 gesichert ist.
-
Nachteilig an elektromagnetischen Aktoren ist ihre prinzipbedingte Trägheit: einerseits bewirkt die Induktivität der Spule, dass das auf das mechanische Element wirkende Magnetfeld zeitverzögert aufgebaut wird, und andererseits wirkt die Trägheit der zu bewegenden Masse des mechanischen Elements gegen die beabsichtigte Bewegung. Beide Effekte begünstigen einander: je größer die zu bewegende Masse, umso größer muss die Spule ausgelegt werden, d.h. umso größer ist ihre Induktivität. Da zumindest ein Teil der zu bewegenden Masse ferromagnetisch sein muss, sind der Reduzierung der Masse bei den von der jeweiligen Anwendung bestimmten Mindestabmessung des Aktors Grenzen gesetzt. Typische für Mittelspannungsschalter eingesetzte elektromagnetische Aktoren weisen eine Ansprechverzögerung im Bereich von Millisekunden auf.
-
Wie bereits aus der
EP 1 829 068 B1 bekannt werden heutzutage im Regelfall elektronische Ansteuerschaltungen verwendet, um den elektromagnetischen Aktor zu steuern. Für sich genommen sind diese Ansteuerschaltungen um ein Vielfaches schneller als die genannten Ansprechverzögerungen des anzusteuernden elektromagnetischen Aktors.
-
Allerdings ist es in bestimmten Anwendungen erforderlich, zunächst die Gültigkeit des an die Ansteuerschaltung gelieferten Steuersignals zu prüfen. Beispielsweise muss das Steuersignal einen definierten Spannungswert für eine definierte Mindestzeitdauer überschreiten. Erst dann kann die Aktivierung des elektromagnetischen Aktors erfolgen, woraufhin der Leistungsschalter geschaltet wird.
-
Die Gültigkeitsprüfung des Steuersignals ist in diesen Anwendungen unerlässlich, um Fehlschaltungen infolge transienter Störungen, z.B. elektromagnetische Einkopplungen in die Signalleitungen oder die Elektronik der Ansteuerschaltung, zu vermeiden.
-
Die genannte Mindestzeitdauer für die Gültigkeitsprüfung ist abhängig von der jeweiligen Anwendung und ggf. für die Anwendung einschlägigen technischen Normen und kann ebenfalls im Bereich von Millisekunden liegen.
-
Aus der (ggf. vorgeschriebenen) Mindestdauer der Prüfung des Steuersignals durch die Ansteuerschaltung und der Trägheit des elektromagnetischen Aktors ergibt sich eine Gesamtverzögerung des Systems (häufig als Eigenzeit bezeichnet), die für viele Anwendungen nicht mehr akzeptabel ist. Gleichwohl besteht ein starkes Interesse daran, die sehr zuverlässigen und gegenüber denkbaren Alternativen sehr kostengünstigen elektromagnetischen Aktoren auch dann einzusetzen, wenn eine Steuersignalprüfung unerlässlich ist.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung für elektromagnetische Aktoren anzugeben, welche die Eigenzeit, also die Gesamtverzögerung des Systems aus Ansteuerschaltung und elektromagnetischem Aktor, bei Einhaltung der Mindestzeitdauer für die Prüfung des Steuersignals reduziert.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ansteuerschaltung für elektromagnetische Aktoren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Aktors gemäß Patentanspruch 3 und eine Mittelspannungsschaltanlage gemäß Patentanspruch 8. Die Erfindung betrifft ferner einen elektromagnetischen Aktor mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Speichermedium mit Befehlen, die bei Ausführung des Programms auf einem Computer oder programmierbaren Baustein diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass die Zeitspanne, die für das Schalten bei einem elektromagnetischen Aktor aufgrund dessen elektromagnetischer und mechanischer Trägheit ohnehin vergeht, bis sich der mechanische Teil des Aktors bewegt, benutzt wird, um parallel das Schaltsignal auf Gültigkeit zu überprüfen. Damit kann gegenüber bekannten Lösungen, bei denen die Ansteuerschaltung zunächst die Gültigkeit des Signals über den vorgesehenen oder vorgeschriebenen Zeitraum hinweg auf Gültigkeit prüft und erst anschließend eine Schaltspannung für den elektromagnetischen Aktor bereitstellt, der seinerseits die oben beschriebenen Ansprechverzögerung aufweist, ein schnelleres und dennoch genauso zuverlässiges Ansprechen erreicht werden.
-
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in stark schematisierter Darstellung;
- 2 zeigt eine beispielhafte Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
-
1 zeigt eine beispielhafte Ansteuerschaltung 1 für einen elektromagnetischen Aktor (nicht dargestellt), 2 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines Verfahren zur Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors. Auf beide Darstellungen wird im Folgenden gleichermaßen Bezug genommen. Die Ansteuerschaltung weist einen Steuersignaleingang 10, 11 auf. Die Darstellung mit zwei Eingangsklemmen 10, 11 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Das Steuersignal kann auch mittels einer einzigen Eingangsklemme oder mittels mehr als zwei Eingangsklemmen eingespeist werden. In Ausgestaltungen der Erfindung kann das Steuersignal ein Spannungssignal, ein Stromsignal, ein optisches Signal, ein mechanisches, pneumatisches oder ein hydraulisches Signal oder ein elektromagnetisches Signal beliebiger Wellenlänge, z.B. WiFi, 2G, 3G, 4G, 5G Mobilfunk oder Nahstreckenfunk, sein. Wichtig ist dabei lediglich, dass die Ansteuerschaltung das jeweilige Steuersignal empfangen kann.
-
Sobald das Steuersignal erstmalig empfangen wird, startet der Ablauf des Verfahrens, Schritt 100, indem parallel zwei Aktionen ausgeführt werden: an Anschlussklemmen 20, 21 der Ansteuerschaltung 1 wird eine Schaltspannung für den elektromagnetischen Aktor bereitgestellt, Schritt 102, und die Überprüfung des Steuersignals für eine vorgegebene oder vorgebbare Zeitdauer beginnt, Schritt 110.
-
Wiederum ist die Darstellung mit zwei Anschlussklemmen 20, 21 zum Anschluss der Ansteuerschaltung 1 an den elektromagnetischen Aktor rein beispielhaft, auch hier sind dem Fachmann vielfältigste Anschlussmöglichkeiten geläufig.
-
Die Bereitstellung der Schaltspannung, Schritt 102, kann um eine vorgegebene oder vorgebbare Verzögerung verzögert werden, Schritt 101. Bedeutung und Bemessung dieser Verzögerung werden weiter unten erläutert.
-
Während Schritt 102 und optional Schritt 101 ausgeführt wird, wird die Gültigkeit des Steuersignals überprüft, Schritt 110. Wie bereits erläutert existieren Anwendungen, bei denen das Steuersignal einen definierten Spannungswert für eine definierte Mindestzeitdauer überschreiten musss, bevor die Aktivierung des elektromagnetischen Aktors erfolgen darf, um Fehlschaltungen infolge transienter Störungen zu vermeiden.
-
Je nach Art und Dauer der im jeweiligen (elektromagnetischen) Umfeld zu berücksichtigenden transienten Störungen wird eine Zeitdauer vorgegeben, über welche hinweg das Steuersignal bestimmten Kriterien genügen muss. Die Zeitdauer kann dabei fest vorgegeben sein oder durch eine übergeordnete Steuerung (nicht dargestellt) vorgebbar sein, beispielsweise um das Verhalten der Ansteuerschaltung an sich mit der (Tages-)Zeit ändernde zu berücksichtigende transiente Störungen anpassen zu können.
-
Für die Anwendung der vorliegenden Erfindung in Leistungsschaltern für Mittelspannungsanwendungen dauern transiente Störungen typischerweise einige Nanosekunden bis wenige Millisekunden. Die Zeitdauer, während der das Steuersignal in diesem Fall stabil den Kriterien genügen muss, beispielsweise einen Spannungswert über einem vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert aufweisen muss, bemisst sich daran und beträgt beispielsweise 5 Millisekunden.
-
Sobald das Steuersignal während der Zeitdauer nicht mehr den Kriterien genügt, also beispielsweise einen Spannungswert unterhalb des Schwellwertes aufweist, wird die Spannungszufuhr zur Spule des elektromagnetischen Aktors umgehend unterbrochen, Schritt 121, und die Ausführung der mechanischen Aktion des elektromagnetischen Aktors somit verhindert, und das Verfahren wird beendet.
-
Falls hingegen das Steuersignal über die gesamte Zeitdauer hinweg den Kriterien genügt, wird die Spannungszufuhr zur Spule des elektromagnetischen Aktors unabhängig vom weiteren Verlauf des Steuersignals solange aufrechterhalten, wie für die zuverlässige Ausführung der mechanischen Aktion des elektromagnetischen Aktors erforderlich, Schritt 122, und das Verfahren wird beendet.
-
Um eine geeignete Ansteuerschaltung für einen elektromagnetischen Aktor auszuwählen und zu konfigurieren, sind zunächst die Eigenschaften des elektromagnetischen Aktors festzustellen, insbesondere seine Ansprechverzögerung, d.h. die Zeit, die zwischen Anlegen einer Spannung und Ausführung der mechanischen Aktion vergeht.
-
Um die vorliegende Erfindung optimal zu nutzen, sollte die Zeitdauer, während der das Steuersignal überprüft wird, kürzer sein als die Ansprechverzögerung, damit die Ausführung der mechanischen Aktion des elektromagnetischen Aktors auch dann zuverlässig verhindert werden kann, falls unmittelbar vor Ablauf der Zeitdauer ein ungültiges Steuersignal detektiert wird.
-
Die naheliegendste Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Zeitdauer entsprechend anzupassen. Der Verkürzung der Zeitdauer sind allerdings Grenzen gesetzt: es kann durch Normen oder Zuverlässigkeitserwägungen begründete Mindestzeitdauern geben, die nicht unterschritten werden dürfen, jedoch größer sind als die Ansprechverzögerung.
-
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, einen elektromechanischen Aktor mit größerer Ansprechverzögerung zu wählen als die, beispielsweise durch Normen oder Zuverlässigkeitserwägungen begründete, Mindestzeitdauer. Dem können vielfältige Grenzen gesetzt sein oder es liegt sogar der Fall vor, dass einer bestimmte Anwendung ein konkreter elektromagnetischer Aktor zugeordnet oder für diesen vorgeschrieben ist. Zu den Grenzen gehören beispielsweise mechanische Mindestanforderungen wie Auslösekraft oder Mindest- oder Maximalhub zu erfüllen, maximale bewegte Masse und zusätzlich oder damit einhergehend auch Kostengründe. All dies kann dagegen sprechen, einen elektromagnetischen Aktor mit größerer Ansprechverzögerung zu wählen.
-
Eine dritte Möglichkeit, die Zeitdauer, während der das Steuersignal überprüft wird, kürzer zu gestalten als die Ansprechverzögerung, besteht darin, die Steuerspannung für den elektromagnetischen Aktor entsprechend zu wählen. Ist beispielsweise die Ansprechverzögerung geringer als die Zeitdauer, kann durch Wahl einer geringeren Steuerspannung die Ansprechverzögerung erhöht werden. In Ergänzung vom vorstehend mit Bezug auf 2 beschriebenen Verfahren kann dann, falls das Steuersignal über die gesamte Zeitdauer hinweg den Kriterien genügt hat, die Spannungszufuhr zur Spule des elektromagnetischen Aktors in Schritt 122 auf den für die Spule normalerweise vorgesehen Spannungswert gesteigert werden, um dann die durch die verringerte Energiezufuhr lediglich vorbereitete Auslösung des elektromagnetischen Aktors zu beschleunigen.
-
Eine vierte Möglichkeit, die sich speziell zur Anpassung der Ansteuerschaltung an eine kurze Ansprechverzögerung eignet, besteht schließlich darin, die Energiezufuhr zum elektromagnetischen Aktor zu verzögern, optionaler Schritt 101. Die Schaltspannung wird verzögert an den Ausgangsklemmen 20, 21 bereitgestellt, wobei die Verzögerung im Einzelfall vorgebbar oder fest vorgegeben ist und so bemessen wird, dass Ansprechverzögerung plus Verzögerungsschritt 101 größer ist als die Zeitdauer für die Überprüfung der Gültigkeit des Steuersignals.
-
Im folgenden werden zwei Beispiele betrachtet.
-
Im ersten Beispiel beträgt die Auslöseverzögerung 8 Millisekunden und die Zeitdauer zur Überprüfung der Gültigkeit des Steuersignals beträgt 5 Millisekunden. In diesem Fall ist die Auslöseverzögerung bereits größer als die Zeitdauer zur Überprüfung des Steuersignals und es müssen keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, da in jedem Fall nach Ablauf der Zeitdauer zur Überprüfung des Steuersignals noch genügend Zeit ist, den Auslösevorgang abzubrechen, falls erst unmittelbar vor Ablauf der Zeitdauer eine Ungültigkeit des Steuersignals detektiert wird. Dieses Beispiel verdeutlicht auch den Vorteil der vorliegenden Erfindung: die Überprüfung des Steuersignals erfolgt, ohne dass dadurch eine zusätzliche Verzögerung des Auslösevorgangs eintritt.
-
Im zweiten Beispiel beträgt die Auslöseverzögerung 4 Millisekunden und die die Zeitdauer zur Überprüfung der Gültigkeit des Steuersignals beträgt 5 Millisekunden. In diesem Fall muss entweder mittels verringerter Steuerspannung oder durch verzögertes Anlegen der Steuerspannung, Schritt 101, dafür gesorgt werden, dass die Auslösung des elektromagnetischen Aktors nicht vor Ablauf der Zeitdauer zur Überprüfung der Gültigkeit des Steuersignals erfolgt. Beispielsweise kann eine Verzögerung von 2 Millisekunden, Schritt 101, vorgesehen werden. Während dieser Verzögerung der Steuerspannungsbereitstellung läuft die Überprüfung der Gültigkeit des Steuersignals bereits. Auch dieses Beispiel verdeutlicht den Vorteil der vorliegenden Erfindung: der Dauer des Auslösevorgang wird auf die Zeitdauer der Überprüfung des Steuersignals plus eine Sicherheit von 1 Millisekunde begrenzt und ist vorteilhafterweise kürzer als die Summe aus Überprüfungszeitdauer und Auslöseverzögerung.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sowohl durch diskrete oder integrierte Schaltungen realisiert werden kann. Dabei können Standardkomponenten oder ASICs eingesetzt werden. Zusätzlich können teilweise oder ausschließlich programmierbare Bausteine wie Microcontroller, Prozessoren, FPGAs usw. verwendet werden. Die zur Durchführung der beschriebenen Verfahren notwendigen Instruktionen können dabei in einem festen oder flüchtigen Speicher vorliegen und mittels Speichermedium oder Download über ein Netzwerksystem verfügbar gemacht werden.
