-
Die Erfindung betrifft eine Schaltung
zur Begrenzung der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten
auftretenden Stromspitzen gemäss
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Eine Schaltung der eingangs genannten
Art ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 3630604 A1 bekannt. Diese
offenbart eine Anlaufsteuerschaltung für zwei Elektromotoren, wobei
der Anlaufstrom der Elektromotoren mittels einer einzigen Widerstandsgruppe
begrenzt wird. Die Widerstandsgruppe begrenzt dabei zunächst den
Anlaufstrom des zuerst eingeschalteten Motors und anschliessend
den Anlaufstrom des später
eingeschalteten Motors. Dies erfolgt dadurch, dass die Widerstandsgruppe über ein
erstes Schaltschütz
in Reihe zum ersten Motor und die Widerstandsgruppe über ein
zweites Schaltschütz
in Reihe zum zweiten Motor geschaltet ist. Der Reihenschaltung aus
der Widerstandsgruppe und dem ersten Schaltschütz ist ein drittes Schaltschütz und der
Reihenschaltung aus der Widerstandsgruppe und dem zweiten Schaltschütz ist ein
viertes Schaltschütz
parallel geschaltet. Beim Einschalten des ersten Motors wird das
erste Schaltschütz
geschlossen und nach der Anlaufzeit des ersten Motors wird das dritte
Schaltschütz
geschlossen. Vor dem Einschalten des zweiten Motors wird das erste Schaltschütz geöffnet und
zum Einschalten des zweiten Motors wird das zweite Schaltschütz geschlossen,
wobei nach der Anlaufzeit des zweiten Motors das vierte Schaltschütz schliesst.
-
Bei der bekannten Schaltung dürfen das
erste und das zweite Schaltschütz
nicht gleichzeitig geschlossen sein, da andernfalls ein Kurzschluss
auftreten könnte.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, beispielsweise in Verbindung
mit einem Feuerungsautomaten könnte
die Sicherheit jedoch dadurch beeinträchtigt werden. Feuerungsautomaten müssen strengen
Sicherheitsanforderungen genügen,
wie sie beispielsweise in der Norm DIN EN 298 definiert sind. Die
Lasten einer Feuerungsanlage, beispielsweise Gebläsemotoren,
Zündbausteine oder
Brennstoffventile können
aufgrund ihres kapazitiven bzw. induktiven Anteils auch bei einer
Niederspannungsversorgung hohe Einschalt- bzw. Ausschaltströme, welche
zwischen dem Faktor 10–100 über den
jeweiligen Nennströmen
liegen können, verursachen.
Bezüglich
Definition und Höhe
von Einschaltströmen
wird ergänzend
auch auf die beiden Normen EN 60947-1 und VDE 0660 verwiesen. Die beim
Ein- bzw. Ausschalten
der kapazitiven/induktiven Lastkomponenten auftretenden hohen Stromspitzen
erfordern im allgemeinen spezielle, teure Schalt- bzw. Lastrelais,
um die in der Praxis erforderlichen und normativ geforderten Schaltspiele
erfüllen zu
können.
Da die in Verbindung mit den relevanten Sicherheitsvorschriften
geforderten Schaltspiele in den Datenblättern der Relaishersteller
im allgemeinen nicht näher
spezifiziert sind, muss bei Sicherheitsanwendungen die Qualität der Relais
durch zusätzliche
aufwändige
Tests überprüft werden.
Dies ist jedoch teuer.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art vorzuschlagen,
die unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik,
die infolge der beim Schalten von kapazitiven/induktiven Lastkomponenten
dabei auftretenden Stromspitzen mit geringem schaltungstechnischen
Aufwand wirksam begrenzt.
-
Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
-
Mit anderen Worten, zeichnet sich
die erfindungsgemässe
Lösung
dadurch aus, dass ein für mehrere
Lasten gemeinsamer Strombegrenzer, der vorzugsweise am Eingang der
Spannungsversorgung liegt und in Serie zu den Lasten geschaltet
ist, sowohl zur Begrenzung der Stromspitzen beim Einschalten als
auch zur Begrenzung der Stromspitzen beim Ausschalten der Lasten
aktiviert wird, wobei die Strombegrenzung vorzugsweise unmittelbar
nach dem Abklingen des Ein- bzw. Ausschaltstromes wieder deaktiviert
wird. Die Dauer der Strombegrenzung ist dabei beim Einschalten vom
kapazitiven Anteil der Last und beim Ausschalten vom induktiven
Anteil der Last abhängig.
Vorzugsweise wird zur Steuerung der Aktivierung bzw. Deaktivierung
der Strombegrenzung eine Steuereinrichtung, beispielsweise in Form eines
Mikroprozessors, verwendet. Die Steuereinrichtung ermöglicht darüberhinaus
bei einer stark induktiven Last, wie z.B. einem Zündtrafo,
die beim Ein- bzw. Ausschalten der Last auftretenden Stromspitzen
durch ein entsprechend phasenselektives Schalten der Last weiterhin
zu begrenzen. Eine induktive Last speichert z. B. in ihrem Eisenkreis
den zum Zeitpunkt des Ausschaltvorganges vorhandenen Restmagnetismus.
Wird nun beim nächsten
Einschaltvorgang genau in der um 180° verschobenen Phasenlage wieder
eingeschaltet, so sorgt die Induktivität durch den ungesättigten
Eisenkreis für
eine zusätzliche
Begrenzung des Stromes.
-
Wird der Automat nur für kurze
Zeit ausgeschaltet (Netzunterbruch) kann ein erneutes Einschalten
in der gleichen Phasenlage bei kapazitiven Lasten eine zusätzliche
Entlastung des Kontaktes bringen.
-
Ein Vorteil der erfindungsgemässen Strombegrenzung
besteht darin, dass neben einer einfachen Einschaltstrombegrenzung
vor allem auch eine wirksame Ausschaltstrombegrenzung durch die
gleiche Schaltung erhalten wird. Dies bietet Kostenvorteile, da
zur Verringerung von Flickerstörungen
bzw. Netzrückwirkungen,
die im allgemeinen dafür
vorgesehenen zusätzlichen
Entstörmittel
(EMV-Module), die zur Einhaltung der normativ festgelegten Elektro-Magnetischen-Verträglichkeit
(EMV) notwendig sind, reduziert werden können.
-
Da die Dimensionierung der Lastrelais
für Lasten
mit einem cos phi < 1
in der Regel anhand der max. zu erwartenden Ein – bzw. Ausschaltströme erfolgt,
können
diese Ströme
durch die erfindungsgemässe
Strombegrenzung reduziert bzw. begrenzt werden, wodurch der Einsatz
einfacher Standard-Relais bei gleicher Lebensdauererwartung möglich wird.
-
Auch können durch die erfindungsgemässe Strombegrenzung
preiswertere Printrelais eingesetzt werden, die nicht die speziellen
Anforderungen für eine
erhöhte
Lebensdauer wie sie in speziellen Liefervorschriften definiert sind
erfüllen
müssen.
Die erfindungsgemässe
Strombegrenzung verringert auch den Ausschaltlichtbogen über den
Relaiskontakten, wodurch der Kontaktabbrand und somit die Lebensdauer
der Relais erhöht
wird. Die erfindungsgemässe Strombegrenzung
ermöglicht,
dass mit einfachen Standard-Printrelais auch kapazitive/induktive
Lastkomponenten geschaltet werden können, ohne dass hierfür spezielle
Schaltschütze
oder zusätzliche
Kontaktschutzbeschaltungen benötigt
werden.
-
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich anhand der nachfolgenden Beschreibung und sind Gegenstand der
abhängigen
Ansprüche
-
1 zeigt
in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Strombegrenzung.
-
2 zeigt
eine Darstellung des Anlaufstromes mit bzw. ohne Strombegrenzung.
-
Am Eingang der Spannungsversorgung 1,
z. B. ein Niederspannungsnetz ist ein Strombegrenzer 2,
z. B. in Form eines ohmschen Widerstandes vorgesehen. Der Strombegrenzer
liegt in Reihe mit den Lasten 5.1–5.3. Die Lasten können beispielsweise Gebläsemotoren,
Zündtrafos
oder Brennstoffventile sein, die kapazitive/induktive Lastkomponenten
aufweisen. Parallel zu dem Strombegrenzer 2 ist ein Schalter 3,
z. B. ein Halbleiterschalter geschaltet. Die Betätigung des Schalters 3 wird
beispielsweise von einer Steuereinrichtung, z. B. einem Mikroprozessor 6 gesteuert.
Der Mikroprozessor 6 kann z. B. in einem hier nicht dargestellten Feuerungsautomaten enthalten
sein. Den Lasten 5.1–5.3 sind
entsprechende Lastrelais 4.1–4.3 zugeordnet, mittels
derer unter Steuerung des Mikroprozessors 6 die jeweiligen
Lasten selektiv zugeschaltet werden können. Das Ein- bzw. Ausschalten
der Lasten 5.1–5.3 erfolgt hierbei
zeitlich versetzt zueinander. Der die beim Ein- /Ausschalten einer Last auftretende
Stromspitze begrenzende Strombegrenzer 2 wird vom Mikroprozessor 6 so
gesteuert, dass der Strombegrenzer nur zum Zeitpunkt des Ein-/Ausschaltens
einer Last 5.1–5.3 mittels
des Schalters 3 aktiviert wird. Die Zeitdauer der Strombegrenzung
wird vorzugsweise so kurz wie möglich
gewählt,
d.h. dass nach Abklingen des Ein- bzw. Ausschaltstromes, der Strombegrenzer 2 vom Mikroprozessor 6 mittels
des Schalters 3 wieder deaktiviert wird. Die Dauer der
Strombegrenzung ist in der Regel beim Einschalten vorwiegend vom
kapazitiven Anteil der Last und beim Ausschalten im wesentlichen
vom induktiven Anteil der Last abhängig.
-
Hinsichtlich der Dimensionierung
des Strombegrenzers 2 und des zum Strombegrenzer parallel geschalteten
Schalters 3 muss folgendes beachtet werden. Der Strombegrenzer
sollte vorzugsweise so hochohmig bemessen sein, dass der zulässige Spitzenstrom
bei den in Reihe mit den Lasten geschalteten Lastrelais nicht überschritten
wird. Andererseits sollte der Strombegrenzer vorzugsweise so niederohmig
gewählt
werden, dass bei Aktivierung der Strombegrenzung, der durch die
Last bereits fliessende Laststrom durch den Strombegrenzer nicht wesentlich
reduziert wird. Die Auswahl des Strombegrenzers sollte auch unter
Beachtung der maximalen Leistungsaufnahme des Strombegrenzers, die
abhängig
von der maximalen Schalthäufigkeit
der Lasten und der Zeitdauer der Strombegrenzung ist und der Spannungsfestigkeit
des Strombegrenzers erfolgen. Die Spannungsfestigkeit sollte vorzugsweise der
EMK der ausgeschalteten induktiven Lastkomponente entsprechen, erfahrungsgemäss z. B.
2 KV.
-
Der Strombegrenzer kann auch als
PTC-Widerstand oder einer Kombination aus PTC-Widerstand und ohmschen Widerstand,
die z. B. parallel geschaltet sind, ausgeführt sein. Mit einem PTC-Widerstand
ist beispielsweise eine Leistungsbegrenzung des Begrenzungswiderstandes
bei häufigen Schaltfolgen
realisierbar. Es ist jedoch zu beachten, dass bei hohen Taktzyklen
ein PTC-Widerstand im Vergleich zum ohmschen Widerstand einen höheren Serienwiderstand
und somit auch einen höheren Spannungsabfall
bewirkt. Dieser zusätzliche
Spannungsabfall kann bei bereits eingeschalteten Lasten ungünstig sein.
Dieser Nachteil kann wirkungsvoll durch eine Parallelschaltung aus
PCT- und ohmschen Widerstand vermieden werden.
-
Die Auswahl des Schalters zum Überbrücken des
Strombegrenzers sollte unter Beachtung der Höhe des maximalen Ein-/Ausschaltstromes,
der Schaltspannung und der maximalen Schalthäufigkeit erfolgen.
-
Zur Veranschaulichung erfolgt nachfolgend beispielhaft
eine Berechnung des maximalen Einschaltstromes mit und ohne einer
rein ohmschen Strombegrenzung sowie eine Berechnung der Verlustleistung
für den
Strombegrenzer. Der Widerstandswert des Strombegrenzers beträgt beispielsweise
10 Ohm und der ohmsche Anteil der Last beträgt z. B. 5 Ohm. Für die Berechnung
wird beispielsweise eine Netzspannung von 230 V angenommen. Der
maximale Einschaltstrom ohne Strombegrenzung erhält man gemäss der Beziehung Imax = (UNetz·√2)/RLast = 65A.
-
Den maximalen Einschaltstrom mit
Strombegrenzung erhält
man gemäss
der Beziehung Imax =
(UNetz·√2)/(RStrombegrenzer +
RLast) = 21,7 A.
-
Dies zeigt, dass der maximale Einschaltstrom
insbesondere bei niederohmigen Lasten durch den Strombegrenzer erheblich
reduziert werden kann. Dadurch kann z.B. der Kontaktabbrand, welcher
annähernd
im Quadrat mit dem Strom während des
Schaltvorgangs ansteigt, mehr als halbiert werden, wodurch die Lebensdauer
der Relais um ein Vielfaches erhöht
werden kann.
-
Für
die Berechnung der Verlustleistung des ohmschen Strombegrenzers
wird z. B. eine Impulsdauer tp des offenen
Schaltkontaktes von 100 Millisekunden und ein mittlerer Strom Im über die
Impulsdauer tp von z. B. 10 A angenommen.
Bei einem zyklischen Lastwechsel von z. B. tIw =
60 Sekunden erhält
man die Dauerverlustleistung gemäss
der Beziehung Pdauer =
Im
2·RStrombegrenzer /(tI
w / tp) = 1,6 Watt.
-
In 2 ist
beispielsweise der Verlauf des Anlaufstromes IAnlauf mit
Strombegrenzung 7 und ohne Strombegrenzung 8 in
Abhängigkeit
von dem Anlaufwiderstand RAnlauf einer kapazitiven
Last dargestellt.