DE102021212834A1 - mechanical switch - Google Patents
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Abstract
Eine Zustandsbestimmung für einen mechanischen Schalter wird durchgeführt, indem während eines Einschaltvorgangs ein Verlauf der Spannung über den Schalter oder ein Verlauf des Stroms durch den Schalter aufgenommen wird, eines oder mehrere Merkmale eines Einschaltprellens aus dem Verlauf ermittelt werden, aus diesen Merkmalen einen Zustandsindikator für den Schalter berechnet wird.A state determination for a mechanical switch is carried out by recording a course of the voltage across the switch or a course of the current through the switch during a switch-on process, one or more features of a switch-on chatter are determined from the course, from these features a status indicator for the switch is calculated.
Description
Mechanischer Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung.Mechanical switch for controllably closing and disconnecting an electrical connection.
Generell ist es für einen elektrischen Schalter, insbesondere Niederspannungsschalter interessant, fortlaufend Informationen über seine voraussichtliche Restlebensdauer zur Verfügung zu stellen. Mit einer solchen Information über den Schalter kann beispielsweise eine Predictive Maintenance-Strategie verfolgt werden. Darunter wird ein proaktiver Wartungsvorgang verstanden, der Zustandsinformationen des Schalters verwendet, um den Wartungsbedarf vorherzusagen. Dadurch wird Betriebs-Störungen präemptiv begegnet und die Wartung selbst effizienter.In general, it is interesting for an electrical switch, in particular a low-voltage switch, to continuously provide information about its probable remaining service life. With such information about the switch, a predictive maintenance strategy can be pursued, for example. This is a proactive maintenance process that uses switch status information to predict maintenance needs. As a result, operational disruptions are counteracted preemptively and maintenance itself is more efficient.
Dem steht entgegen, dass aus wirtschaftlichen und technischen Gründen solche Schalter üblicherweise sehr kompakt gebaut werden. Für eine dedizierte Sensorik steht daher wenig Platz zur Verfügung. Außerdem würden die Sensoren zusätzliche Kosten verursachen, was insbesondere bei kostengünstigen Schaltern im Bereich der Niederspannung nicht in wirtschaftlicher Relation zu den Kosten des Schalters selbst liegt.This is opposed by the fact that, for economic and technical reasons, such switches are usually built very compactly. There is therefore little space available for a dedicated sensor system. In addition, the sensors would cause additional costs, which is not in economic relation to the costs of the switch itself, particularly in the case of inexpensive switches in the low-voltage range.
Es ist bekannt, die Schaltvorgänge eines Niederspannungsschalters zu zählen, um eine Aussage über seine Restlebensdauer treffen zu können. In Niederspannungsschaltern gibt es weiterhin die Möglichkeit, die beim Öffnen des Schalters durch den Schaltlichtbogen fließenden Schaltströme zu erfassen, die dann die Gewichtung eines Schaltspieles ermöglichen. Zusätzlich und für eine genauere Gewichtung kann die Schaltenergie berechnet werden. Diese Methoden liefern aber nur Abschätzungen zur Restlebensdauer, aber keine direkten Aussagen über den aktuellen Zustand des Schalters.It is known to count the switching operations of a low-voltage switch in order to be able to make a statement about its remaining service life. In low-voltage switches, there is also the possibility of detecting the switching currents flowing through the switching arc when the switch is opened, which then enables a switching cycle to be weighted. In addition, and for more accurate weighting, the switching energy can be calculated. However, these methods only provide estimates of the remaining service life, but no direct statements about the current state of the switch.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen mechanischen Schalter anzugeben, bei dem eine verbesserte Aussage über den Zustand ermöglicht ist.It is the object of the invention to specify a mechanical switch in which an improved statement about the state is made possible.
Diese Aufgabe wird durch einen mechanischen Schalter mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved by a mechanical switch having the features specified in
Der erfindungsgemäße mechanische Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung umfasst eine Steuereinrichtung, die ausgestaltet ist, einen Verlauf der Spannung über den Schalter oder einen Verlauf des Stroms durch den Schalter aufzunehmen. Die Steuereinrichtung ist weiterhin ausgestaltet, eines oder mehrere Merkmale eines Einschaltprellens aus dem Spannungsverlauf zu ermitteln und aus diesen Merkmalen einen Zustandsindikator für den Schalter zu berechnen.The mechanical switch according to the invention for the controllable closing and disconnection of an electrical connection comprises a control device which is designed to record a voltage curve across the switch or a current curve through the switch. The control device is also designed to determine one or more features of a switch-on chatter from the voltage profile and to calculate a status indicator for the switch from these features.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zustandsbestimmung für einen mechanischen Schalter zum steuerbaren Schließen und Trennen einer elektrischen Verbindung wird während eines Einschaltvorgangs ein Verlauf der Spannung über den Schalter oder ein Verlauf des Stroms durch den Schalter aufgenommen. Weiterhin wird eines oder mehrere Merkmale eines Einschaltprellens aus dem Verlauf ermittelt und schließlich aus diesen Merkmalen einen Zustandsindikator für den Schalter berechnet.In the method according to the invention for determining the state of a mechanical switch for controllably closing and disconnecting an electrical connection, a voltage curve across the switch or a current curve through the switch is recorded during a switch-on process. Furthermore, one or more features of a switch-on chatter are determined from the course and finally a status indicator for the switch is calculated from these features.
Vorteilhaft wird durch die Ausgestaltung des Schalters oder das Verfahren erreicht, dass eine Zustandsbestimmung für den Schalter erreicht wird, deren Zuverlässigkeit stets gleichbleibt, da sie auf aktuellen Messwerten basiert. Dadurch können kurzfristig auftretende Störungen erkannt und vor einem Schaltversagen gewarnt werden, was beispielsweise mit dem reinen Zählen von Schaltvorgängen nicht möglich ist. Vorteilhaft werden verschiedene Einflüsse auf das Kontaktprellen erfasst, beispielsweise auch eine Alterung des Antriebssystems.The design of the switch or the method advantageously achieves a status determination for the switch whose reliability always remains the same since it is based on current measured values. As a result, short-term faults can be detected and a warning given before a switching failure occurs, which is not possible with just counting switching operations, for example. Various influences on the contact chatter are advantageously recorded, for example also aging of the drive system.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schalters gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform der unabhängigen Ansprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale aus den Unteransprüchen mit jedem der unabhängigen Ansprüche kombiniert sein. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:
- Die Merkmale für ein Einschaltprellen können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- - Eine Anzahl von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen. Dies entspricht der Anzahl von Rückprallvorgängen des Kontakts.
- - Eine Dauer von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen.
- - Eine Amplitude von auf Einschaltprellen zurückzuführenden Spannungspulsen.
- The characteristics of power-on chatter may include one or more of the following characteristics:
- - A number of voltage pulses due to power-on chatter. This corresponds to the number of times the contact has rebounded.
- - A duration of voltage pulses due to switch-on chatter.
- - An amplitude of voltage pulses due to power-on chatter.
Diese Merkmale erlauben es, die „Schwere“ des Einschaltprellens zu quantifizieren. Die Merkmale sind dabei nicht notwendigerweise direkt voneinander abhängig, so dass mehr Information dadurch gewonnen werden kann, dass mehr als eines der Merkmale berücksichtigt wird.These features allow the "severity" of the power-on chatter to be quantified. The features are not necessarily directly dependent on one another, so that more information can be obtained by considering more than one of the features.
Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, eine Fourier-Transformation, insbesondere eine Fast-Fourier-Transformation des Spannungsverlaufs im Bereich des Einschaltvorgangs zu bestimmen. Dadurch wird der Spannungsverlauf in den Frequenzraum überführt. Vorteilhaft wird durch die Fourier-Transformation eine Trennung der beiden Frequenzen der Wechselspannung und des Prellvorgangs erreicht. Dadurch kann der Prellvorgang unabhängig von den Spannungsänderungen betrachtet werden, die auf den Verlauf der Wechselspannung zurückzuführen sind. Auch wird dadurch aus den möglicherweise mehreren Prellvorgängen eine im Wesentlichen einheitliche Größe gewonnen, da die Frequenz der Prellvorgänge durch die mechanischen Komponenten gegeben ist und daher im Wesentlichen konstant ist.The control device can be designed to determine a Fourier transformation, in particular a fast Fourier transformation, of the voltage profile in the area of the switch-on process. As a result, the voltage curve is transferred to the frequency domain. A separation of the two frequencies of the AC voltage and the bouncing process is advantageously achieved by the Fourier transformation. As a result, the bouncing process can be viewed independently of the voltage changes that can be traced back to the course of the AC voltage. In this way, an essentially uniform variable is also obtained from the potentially multiple bouncing processes, since the frequency of the bouncing processes is given by the mechanical components and is therefore essentially constant.
Ein Ansteigen der aus der Fourier-Transformation ermittelten Leistungsamplitude und/oder ein Sinken der aus der Fourier-Transformation ermittelten Peak-Frequenz kann als Zustandsindikator verwendet werden. Die Peak-Frequenz bezeichnet dabei die Frequenz mit der höchsten Amplitude im Frequenzbereich der Prellvorgänge. Sinkt diese Frequenz ab, werden die Prellvorgänge langsamer, was für eine Alterung des Schalters spricht.An increase in the power amplitude determined from the Fourier transform and/or a decrease in the peak frequency determined from the Fourier transform can be used as a status indicator. The peak frequency designates the frequency with the highest amplitude in the frequency range of the bouncing processes. If this frequency drops, the bouncing processes become slower, which indicates that the switch is aging.
Der Schalter kann ausgestaltet sein, auch einen Stromverlauf im Bereich eines Einschaltvorgangs aufzunehmen. Dadurch kann auch dieser berücksichtigt werden. Beispielsweise ist es bei Kenntnis des Stromverlaufs einfacher, den Beginn des Einschaltvorgangs zu bestimmen.The switch can be designed to also record a current profile in the area of a switch-on process. This can also be taken into account. For example, knowing the course of the current makes it easier to determine the start of the switch-on process.
Bei Kenntnis des Stromverlaufs kann aus dem Spannungsverlauf und dem Stromverlauf eine im Bereich eines Einschaltvorgangs dissipierte Energie ermittelt werden. Dazu wird zweckmäßig das Produkt aus momentaner Spannung U(t) und momentanem Strom I(t) integriert über den Zeitraum des Einschaltvorgangs.If the current profile is known, an energy dissipated in the area of a switch-on process can be determined from the voltage profile and the current profile. For this purpose, the product of instantaneous voltage U(t) and instantaneous current I(t) is integrated over the period of the switch-on process.
Ein Quotient aus der Energie und einem Stromwert bei eingeschaltetem Schalter kann als Zustandsindikator verwendet werden. Dabei kann der Stromwert ein RMS-Stromwert sein oder ein Peak-Stromwert. Der Quotient entspricht einem Produkt aus einer mittleren Prellspannung UPrell und der Gesamtdauer des Prellvorgangs.A quotient of the energy and a current value when the switch is on can be used as a status indicator. The current value can be an RMS current value or a peak current value. The quotient corresponds to a product of an average bounce voltage U Prell and the total duration of the bouncing process.
Ein neuronales Netzwerk kann verwendet werden, um den Zustandsindikator zu ermitteln. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das neuronale Netzwerk mit Daten vorgealterter Schalter trainiert wird. Dazu müssen von vorgealterten Schaltern Spannungsverläufe vorliegen und sich daraus ergebende Zustandsindikatoren. Die einem Schalter und einem Spannungsverlauf zugeordneten Zustandsindikatoren können beispielsweise manuell zugeordnet werden. Das neuronale Netzwerk kann dabei als Eingangsdaten beispielsweise durch die Fourier-Transformation gewonnene Informationen als Eingangsdaten bekommen, beispielsweise die Lage und/oder Amplitude der Prellfrequenz.A neural network can be used to determine the condition indicator. In this case, it is advantageous if the neural network is trained with data from pre-aged switches. For this purpose, voltage curves from pre-aged switches and the status indicators resulting therefrom must be available. For example, the status indicators associated with a switch and voltage waveform can be manually associated. The neural network can receive information obtained, for example, by the Fourier transformation as input data, for example the position and/or amplitude of the bounce frequency.
Der mechanische Schalter kann zum steuerbaren Schließen und Trennen einer Mehrzahl elektrischer Verbindungen ausgestaltet sein.The mechanical switch can be configured to controllably make and break a plurality of electrical connections.
Neben einer Auswertung des gemessenen Verlaufs im Schalter selbst können Werte, die den Verlauf repräsentieren, auch vom Schalter zu einem Cloud-Service übermittelt werden und die Ermittlung des Merkmals und die Berechnung des Zustandsindikators werden im Cloud-Service durchgeführt.In addition to evaluating the measured progression in the switch itself, values that represent the progression can also be transmitted from the switch to a cloud service, and the feature is determined and the status indicator is calculated in the cloud service.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
-
1 eine einfache beispielhafte Schaltung mit einem Schalter, -
2 den Aufbau eines Schützes als Teil des Schalters, -
3 einen Spannungs- und Stromverlauf bei einem Einschaltvorgang des Schalters, -
4 eine Darstellung des Spannungsverlaufs im Frequenzraum.
-
1 a simple exemplary circuit with a switch, -
2 the construction of a contactor as part of the switch, -
3 a voltage and current profile when the switch is switched on, -
4 a representation of the voltage curve in the frequency domain.
Der feste magnetische Kern 102 und der bewegliche Anker 103 sind durch Rückstellfedern 106 mechanisch verbunden und werden durch diese auseinandergedrückt. Wird die Spule 104 mit Strom versorgt, dann wird der bewegliche Anker 103 zum festen magnetische Kern 102 hingezogen. Wird der Strom durch die Spule 104 abgeschaltet, entfällt die anziehende Kraft und die Rückstellfedern 106 drücken den beweglichen Anker 103 wieder vom festen magnetische Kern 102 weg.The fixed
Der bewegliche Anker 103 ist über eine mechanische Halterung 107 mit einer Kontaktbrücke 109 verbunden, die bei Bewegung des beweglichen Ankers 103 mitbewegt wird. Entsprechende Schließerkontakte 110, 111 sind so angeordnet, dass die Kontaktbrücke 109 im angezogenen Zustand des beweglichen Ankers 103 eine elektrische Verbindung herstellt und im Ruhezustand, d.h. wenn die Spule 104 nicht unter Strom steht, so beabstandet ist von den Schließerkontakten 110, 111, dass keine elektrische Verbindung vorliegt.The
Da das Schließen des Kontakts 14 durch die Bewegung des beweglichen Ankers 103 durch eine beschleunigte mechanische Bewegung erfolgt, kann ein Kontaktprellen erfolgen, bei dem die Kontaktbrücke 109 oder Teile davon von den Schließerkontakten 110, 111 abprallen oder zurückfedern. Dadurch wird der mechanische Kontakt kurzzeitig einmalig oder mehrfach unterbrochen. Der elektrische Kontakt wird dadurch nicht vollständig unterbrochen, da ein Lichtbogen einen Stromfluss für die kurze Zeit des Prellens aufrechterhält.Since the
Dieser Lichtbogen bewirkt eine Alterung des Kontaktsystems und kann im schlimmsten Fall die Kontakte sogar verschweißen. This arc causes the contact system to age and, in the worst case, can even weld the contacts.
Daher wird der Kraft-Weg-Verlauf beim Schließen des Kontakts 14 so gestaltet, dass bei einem neuen Schütz 10 praktisch kein Prellen auftritt oder das Prellen auf ein Minimum reduziert ist. Kontaktabbrand führt aber dazu, dass ein Prellen mit zunehmender Alterung des Schalters 20 häufiger auftritt und Prellereignisse intensiver werden.The force-displacement curve when the
Das Einschaltprellen lässt sich anhand der Strom- und Spannungswerte über bzw. im Kontakt nachvollziehen. Der Schalter 20 ist ausgestaltet, einen Spannungsverlauf und einen Stromverlauf über einen Einschaltvorgang hinweg aufzunehmen. Ein Beispiel für sich ergebende Verläufe ist in
Vor einem Einschaltzeitpunkt t1 zeigt die Spannung 31 einen kurvenartigen Verlauf, der einem Ausschnitt einer Sinuswelle entspricht. Da der Kontakt 14 des Schützes 10 zu dieser Zeit geöffnet ist, entspricht die Spannung über den Kontakt der von der Spannungsversorgung 11 bereitgestellten Wechselspannung. Der Strom 32 vor dem Zeitpunkt t1 ist 0, da kein Strom durch den geöffneten Kontakt 14 fließen kann.Before a switch-on time t1, the
Beim Zeitpunkt t1 wird der Kontakt 14 geschlossen, also eingeschaltet. Um diesen Zeitpunkt herum fällt daher die Spannung über den Kontakt 14 rapide auf 0 V ab. Im selben Zeitraum steigt der Strom 32 an; sofern kein Einschaltprellen auftritt, steigt der Strom 32 dabei auf einen durch die Spannungsversorgung 11 und die Last 12 vorgegebenen Wert oder - im Falle einer AC-Spannung - Verlauf.At time t1, contact 14 is closed, ie switched on. Around this point in time, therefore, the voltage across
In diesem Fall liegt aber ein Einschaltprellen vor, was sich darin äußert, dass zu einem Zeitpunkt t2 die Spannung 31 wieder ansteigt und der Strom 32 etwas abfällt. Da der Kontakt 14 nach dem Zurückprallen schnell wieder geschlossen wird, fällt daraufhin die Spannung schnell wieder ab und der Strom steigt erneut an.
Ein einfaches Maß für das Kontaktprellen ist die während des Schaltvorgangs dissipierte Energie. Diese ergibt sich aus dem Integral über dem Produkt aus Strom 32 und Spannung 31, also
Wobei U(t) die momentane Spannung 32 über den Kontakt 14 und I(t) der momentane Strom 31 durch den Kontakt 14 ist. Die Integrationsgrenzen t1 und t3 können dabei aus Strom und Spannung 31, 32 bestimmt werden; sie müssen aber nicht sehr genau bestimmt sein, da vor dem Einschalten der Strom 0 A ist und nach dem Einschalten die Spannung nahezu 0 V ist, sodass außerhalb des Schaltzeitraums kaum Beiträge zum Integral entstehen.Where U(t) is the
Die Werte der Strom- und Spannungsmessung sollten mit einer Frequenz von wenigstens 1 kHz, besser 10 kHz oder mehr aufgenommen werden, also mit einer Zeitauflösung von 0,1 ms oder höher. Sowohl Multiplikation als auch Integration lässt sich sowohl mit elektronischen Mitteln als auch digital oder durch eine Kombination von beidem durchführen.The values of the current and voltage measurement should be recorded with a frequency of at least 1 kHz, preferably 10 kHz or more, i.e. with a time resolution of 0.1 ms or higher. Both multiplication and integration can be performed electronically, digitally, or a combination of both.
In einem nahezu prellfreien Schalter ist die dissipierte Energie nicht 0 J, sondern hat einen endlichen Wert. Dieser Wert kann für das Schütz 10 bestimmt werden, wenn das Schütz 10 noch neuwertig ist und daher typischerweise wenig Kontaktprellen aufweist. Der so bestimmte Wert kann als Referenzwert dienen, um mit späteren Messungen durch Vergleich mit dem Referenzwert ein absolutes Maß für den Zustand des Schützes 10 zu bekommen.In a nearly bounce-free switch, the dissipated energy is not 0 J but has a finite value. This value can be determined for the
Neben der Auswertung der Schaltenergie kann das Prellen auch ausgewertet werden, in dem der Verlauf von Spannung oder Strom 31, 32 näher untersucht wird. Beide Verläufe ergeben sich als Mischung aus dem Verlauf der Spannung im offenen Zustand, also bei einer Wechselspannung einem Sinusverlauf, dem endlich schnellen Einschaltvorgang, in dem jeweils mit endlicher Geschwindigkeit der Strom 32 ansteigt und die Spannung 31 abfällt und den Schwingungen, die durch das Einschaltprellen bewirkt werden. Ein solcher Verlauf ist in
Neben einem ersten Peak nahe der Frequenz f = 0 ergibt sich dabei ein zweiter Peak bei einer Frequenz f2. Die Frequenz f2 ist die Frequenz der Wechselspannung, also beispielsweise 50 Hz. Dieser Anteil des Signals ist für die Auswertung des Kontaktprellens unerheblich und wird durch die Transformation in den Frequenzraum vorteilhaft vom Kontaktprellen separiert. Das Signal des Kontaktprellens erscheint um eine dritte Frequenz f3. Dieser Peak ist verwaschen, da das Kontaktprellen deutlich von einer Sinus-Schwingung abweicht. Es ergeben sich dadurch auch erhebliche Frequenzanteile bei Vielfachen der dritten Frequenz f3, die aber in
Als Maße für den Zustand des Schützes können beispielsweise die Amplitude bei der dritten Frequenz f3 oder die maximale Amplitude in dem Bereich um die dritte Frequenz f3 und/oder die Größe der Frequenz f3 selbst verwendet werden. Eine Erhöhung der Amplitude und ein Sinken der Frequenz f3 deuten beide auf ein stärker werdendes Kontaktprellen hin. Neben dieser relativen Betrachtung können beide Werte auch als absolute Maße für den Zustand des Schützes 10 gewertet werden, indem ein Vergleich mit denselben Werten für solche Schütze angestellt wird, die bereits im Einsatz waren oder künstlich gealtert sind und für die eine Zustandsbewertung vorliegt. Um für ein konkretes Schaltermodell den Zusammenhang zwischen Prellsignalen und Zustand herzustellen, können auch KI-Methoden wie Neuronale Netzwerke verwendet werden, die mit künstlich gealterten Schaltern angelernt werden.For example, the amplitude at the third frequency f3 or the maximum amplitude in the range around the third frequency f3 and/or the size of the frequency f3 itself can be used as a measure of the state of the contactor. An increase in amplitude and a decrease in frequency f3 both indicate increasing contact chatter. In addition to this relative consideration, both values can also be evaluated as absolute measures of the condition of the
Um die beschriebenen Auswertungen durchführen zu können, umfasst das Schütz eine Einrichtung zur Messung von Spannung und Strom über bzw. durch den Kontakt 14. Die beschriebenen Auswertungen können dabei lokal beim Schütz 10 selbst durchgeführt werden, wobei dafür das Schütz 10 einen Mikrocontroller umfasst. In alternativen Ausgestaltungen kann das Schütz oder ein das Schütz 10 umfassender Schalter auch eine Verbindung zu einem Cloud-Service aufweisen und Messwerte für Strom 32 und/oder Spannung 31 zu dem Cloud-Service übertragen, wobei dann die Auswertung beim Cloud-Service durchgeführt wird.In order to be able to carry out the evaluations described, the contactor includes a device for measuring voltage and current via or through the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Schützcontactor
- 1111
- Spannungsversorgungpower supply
- 1212
- Lastload
- 1414
- KontaktContact
- 2020
- SchalterSwitch
- 2121
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 101101
- GehäuseHousing
- 102102
- fester magnetischen Kernsolid magnetic core
- 103103
- beweglicher Ankermoving anchor
- 104104
- SpuleKitchen sink
- 106106
- Rückstellfedernreturn springs
- 107107
- mechanische Halterungmechanical mount
- 109109
- Kontaktbrückecontact bridge
- 110, 111110, 111
- Schließerkontaktenormally open contacts
- t1, t2, t3t1, t2, t3
- Zeitpunktetimes
- f2, f3f2, f3
- Frequenzenfrequencies
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