DE10332595A1

DE10332595A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern elektrischer Schaltgeräte

Info

Publication number: DE10332595A1
Application number: DE2003132595
Authority: DE
Inventors: Mikko Koivisto; Norbert Mitlmeier; Bernd Trautmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: WO2005017933A1; CN100461323C; DE10332595B4; EP1647040A1; EP1647040B1; CN1830048A

Abstract

Die Bewegung des Ankers eines elektromagnetischen Schaltgeräts, insbesondere eines Schützes oder Relais, beim Einschaltvorgang soll optimiert werden. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Beschleunigung des Ankers geregelt wird, damit die Kontakte bzw. Magnetkomponenten des Schaltgeräts mit einer wohldefinierten Geschwindigkeit aufeinandertreffen. Vorteilhafterweise wird die Entregung der Spule durch eine Gegenspannung beschleunigt, womit die Zeitkonstante der Regelung reduziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts, insbesondere von einem Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist, mit einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme oder Erfassung einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers und/oder eines damit verbundenen Kontakts und einer Regelungseinrichtung zum Steuern oder Regeln der Bewegung des Ankers beziehungsweise des Kontakts. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts.
Beim Einschalten von Schützen muss die magnetische Zugkraft die öffnend wirkenden Federkräfte überwinden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beim Schließen der Hauptkontakte von einem Schütz die Federkräfte in einem definierten Abstand vor der Schließposition auf etwa den fünffachen Wert ansteigen. Dennoch ist auch in diesem Bereich zu gewährleisten, dass die Kontakte mit einer Mindestgeschwindigkeit schließen, die Schließgeschwindigkeit aber auch nicht zu hoch ist. Vorteilhaft für die Lebensdauer eines Schützes ist es, wenn zur Verminderung des Einschaltabbrands die Auftreffgeschwindigkeit der Hauptkontakte begrenzt wird. Dadurch wird mechanisches Prellen beim Aufeinandertreffen der Kontakte und ein damit verbundenes Auftreten von Lichtbögen reduziert, was die elektrische Lebensdauer erhöht. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Magnetsystem sanft schließt, was zu einer Erhöhung der mechanischen Lebensdauer führt.
Derart bevorzugte Schließbewegungen können im Wesentlichen durch eine Regelung zur Ansteuerung des Magnetsystems erreicht werden. So wird beispielsweise in den Druckschriften EP 0 865 660 und DE 195 35 211 eine Regelung des Magnetflusses vorgenommen. Dabei wird entweder ein Konstantwert oder ein positionsabhängiger Wert des Magnetflusses angestrebt. Der Sollwert des Magnetflusses muss jedenfalls so hoch sein, dass immer ein Zugkraftüberschuss sichergestellt werden kann. Durch die Flussregelung können zwar sehr hohe Auftreffgeschwindigkeiten verhindert werden, aber selbst in günstigen Fällen werden immer noch verhältnismäßig hohe Auftreffgeschwindigkeiten von rund 0,8 m/s erreicht, wie die Simulation gemäß 1 zeigt. In dem obersten Diagramm von 1 ist die Spannung an der Spule mit durchgezogener Linie, die Netzspannung mit gestrichelter Linie und der Strom durch die Spule mit gepunkteter Linie dargestellt. Die Spannung an der Spule wird entsprechend den Regelungszyklen an- und abgeschaltet. Zu Beginn wird die Spannung an der Spule angeschaltet und bleibt solange an, bis ein vorgegebener magnetischer Fluss (durchgezogene Linie im mittleren Diagramm) erreicht wird. Der Strom (gepunktete Linie in dem obersten Diagramm) steigt in diesem Zeitbereich gemäß dem üblichen Einschaltverhalten einer Induktivität rasch an. Durch das Abregeln der Spannung bleibt der Strom daraufhin in etwa konstant und fällt dann mit kleiner werdender Öffnung zwischen den Kontakten allmählich auf sehr kleine Werte ab.
Das mittlere Diagramm von 1 zeigt neben dem mit der Windungszahl N multiplizierten Fluss (durchgezogene Linie), der auf einen konstanten Wert geregelt wird, die Federkraft (gestrichelte Linie) und die Magnetkraft (gepunktete Linie). Zu Beginn des Schließvorgangs ist die Federkraft höher als die Magnetkraft, so dass sich der Kontaktträger mit den Kontakten noch nicht bewegt. Nach einer gewissen Zeit übersteigt die Magnetkraft die Federkraft, woraufhin sich die Kontakte relativ zueinander bewegen. Erst nach diesem Zeitpunkt wird der Fluss auf einen konstanten Wert geregelt, so dass sich die Kontakte aufeinander zu bewegen können. Kurz vor dem Schließen erhöht sich die Federkraft – wie eingangs erwähnt – sprunghaft um ein Mehrfaches. Mit der Reduzierung des Öff nungsspalts beim Schließen steigt die Magnetkraft (gepunktete Linie) stark an.
In dem untersten Diagramm ist der Weg (gestrichelte Linie) und die Geschwindigkeit (durchgezogene Linie) ebenfalls über der Zeit aufgetragen. Die Geschwindigkeit der Kontakte zueinander nimmt beim Schließen stetig zu und erreicht beim Aufeinandertreffen der Kontakte, wo auch die Federkraft sprunghaft zunimmt, einen Höhepunkt. Wegen der erhöhten Federkraft wird die Geschwindigkeit zunächst vermindert. Aufgrund des konstanten Flusses nimmt sie bis zur Schließposition jedoch wieder geringfügig zu. Auch das Schließen erfolgt mit der verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit von etwa 0,8 m/s wie bereits erwähnt.
In dem weiteren Dokument DE 195 44 207 ist ein spezielles Verfahren zur Regelung der Geschwindigkeit beim Schließen der Kontakte eines Schützes beschrieben. Dieses Verfahren besitzt dieselben Nachteile wie auch einfachere Geschwindigkeitsregler. Bei Überschreitung der Sollgeschwindigkeit schaltet der Regler aus und bei Unterschreitung der Sollgeschwindigkeit wieder ein. In dem speziellen Beispiel schaltet der Regler während der gesamten Schließbewegung nur einmal aus und einmal ein. Die elektromagnetische Zeitkonstante und die Massenträgheit der Mechanik bewirken sehr große Abweichungen vom Sollwert der Geschwindigkeit. Eine Simulation dieser Geschwindigkeitsregelung ist in 2 dargestellt. In den einzelnen Diagrammen sind die gleichen Größen wie in 1 in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt. Zu Beginn des Schließvorgangs wird die Spannung an der Spule angeschaltet (vergleiche durchgezogene Linie im obersten Diagramm von 2). Die Spannung wird erst wieder abgeschaltet, wenn die Geschwindigkeit der Kontakte zueinander den Wert 0,5 m/s erreicht (vergleiche durchgezogene Linie im untersten Diagramm von 2). Während die Spannung an der Spule angeschaltet ist steigt der Strom durch die Spule (gepunktete Linie im obersten Diagramm). Nach dem Abschalten der Spannung sinkt der Strom allmählich wieder ab. Entsprechend dem Strom steigt der magnetische Fluss (durchgezogene Linie im mittleren Diagramm) und die Magnetkraft (gepunktete Linie) zu einem absoluten bzw. lokalen Maximum bis zum Abschaltzeitpunkt der Spannung an. Für die Geschwindigkeit (durchgezogene Linie im untersten Diagramm von 2) bedeutet dies, dass sie auch nach dem Abschaltzeitpunkt der Spannung weiter ansteigt, da der Strom und somit die Magnetkraft nur sehr langsam zurückgeht. Die Geschwindigkeit erreicht beim Auftreffen der Kontakte etwa eine Höhe von 1,0 m/s und sinkt dann aufgrund der erhöhten Federkraft (vergleiche gestrichelte Linie im mittleren Diagramm) auf etwa 0,6 m/s ab, wenn die Komponenten des Magnetsystems aufeinandertreffen. Der Weg der Kontakte zueinander, d. h. die Öffnung der Kontakte, nimmt beim Schließen ähnlich wie bei der Regelung gemäß 1 stetig ab.
Die eingangs erwähnten Anforderungen an die Schließbewegung werden bei beiden dokumentierten Regelungen nicht hinreichend erfüllt. Somit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Ansteuervorrichtung bzw. ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, mit denen ein sanftes Schließen der Kontakte beispielsweise eines Schützes möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts, insbesondere von einem Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist, mit einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme oder Erfassung einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers und/oder eines damit verbundenen Kontakts und einer Regelungseinrichtung zum Steuern oder Regeln der Bewegung des Ankers bzw. des Kontakts, wobei mit der Regelungseinrichtung die Beschleunigung des Ankers bzw. des Kontakts steuer- oder regelbar ist.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts, insbesondere von einem Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist, durch Aufnehmen oder Erfassen einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers und/oder eines damit verbundenen Kontakts und Steuern oder Regeln der Bewegung des Ankers bzw. des Kontakts, wobei die Beschleunigung des Ankers bzw. des Kontakts gesteuert oder geregelt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Beschleunigungsregelung ist es möglich, dass die Auftreffgeschwindigkeit auf beispielsweise 0,4 m/s bis 0,5 m/s beschränkt werden kann. Eine Kenntnis der Federkraftkurve ist bei diesen Geschwindigkeiten nicht nötig.
Vorzugsweise wird als Bewegungsgröße der zurückgelegte Weg bzw. die Position erfasst oder aufgenommen. Ebenso kann aber auch die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Ankers direkt erfasst werden.
Die Regelung in der Regelungseinrichtung kann anhand einer Sollkurve, die den Zusammenhang von Geschwindigkeit und Position oder Beschleunigung und Position darstellt, durchgeführt werden. Dabei kann vorausberechnet werden, ob die Sollkurve in einer bestimmten Position über- oder unterschritten wird und eine entsprechende Entscheidung als Grundlage für die Ansteuerung der Spule verwendet werden.
Vorzugsweise umfasst die Sollkurve einen Bereich, der die Kontaktberührung und zweckmäßigerweise auch die Magnetberührung einschließt. Damit kann die Bewegung der Kontakte auch nach der Kontaktberührung weiter geregelt werden.
Die Aufnahmeeinrichtung kann einen Wegsensor umfassen, aus dessen Signal durch analoge oder digitale Differenziation Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung für die Regelung abgeleitet wird. Dabei kann der Wegsensor durch eine Spule realisiert werden, deren Strom gemessen und deren magnetischer Fluss aus dem Integral der induzierten Spannung bestimmt wird, so dass daraus die Position der Kontakte rechnerisch ermittelt werden kann. Hierzu kann eine spezielle Messspule eingesetzt werden, die an dem Magnetsystem des magnetischen Aktuators oder des elektrischen Schaltgeräts, d. h. an dessen Antriebsspule, angebracht wird. Diese Messspule ist dann unabhängig von der stromdurchflossenen Antriebsspule, so dass sich der Fluss entsprechend genau messen lässt.
Die Ansteuervorrichtung kann ferner einen Prozessor und einen Halbleiterschalter aufweisen, wobei der Halbleiterschalter zum An- und Abschalten einer Antriebsspule eingesetzt werden kann und der Prozessor zur Ansteuerung des Halbleiterschalters mit diesem verbunden ist.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung einen Freilauf kreis aufweisen, in dem ein Strom beim Abschalten einer Antriebsspule durch eine Gegenspannung abgebaut wird. Damit kann der Strom rascher reduziert werden, so dass die Regelung entsprechend weniger träge ist.
Vorteilhafterweise ist in der Regelungseinrichtung die Entfernung zweier Kontakte oder zweier Magnetkomponenten für die Regelung der Beschleunigung berücksichtigbar. Damit kann in der Nähe der Schließposition ein anderes Regelungsverhalten erreicht werden als in der Offen-Position.
Die erfindungsgemäßen Steuervorrichtungen in ihren sämtlichen Varianten können gegebenenfalls direkt in elektrische Schaltgeräte, insbesondere Schütze und Relais, integriert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 Simulationsdiagramme zu einer Regelung gemäß dem Stand der Technik;
2 Simulationsdiagramme zu einer alternativen Regelung gemäß dem Stand der Technik;
3 ein Blockschaltdiagramm einer erfindungsgemäß angesteuerten Schützspule;
4 eine Sollwertkurve für die Regelung;
5 eine Funktionenschar zur Ermittlung des Wegs aus dem Strom- und Flusssignal;
6 Simulationsdiagramme für die Beschleunigungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung und
7 ein Schaltungsdiagramm zur Schnellentregung von Schützen.
Die nachfolgend aufgeführten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Nachdem eine reine Geschwindigkeitsregelung zu träge ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Beschleunigung als Regelgröße verwendet. 3 zeigt hierzu ein Prinzipschaltbild. Eine Schützspule L_S wird von einem Regler RG mit Netzspannung versorgt. Die Regelung erfolgt mittels einer Sollwertkurve, in der die Geschwindigkeit v über der Position s aufgetragen ist.
Die Position s als Stellgröße wird mit Hilfe einer Messspule L_M ermittelt. Hierzu wird mit Hilfe einer Auswerteschaltung die in der Messspule L_M induzierte Spannung U. und der durch die Spule L_M fließende Strom I erfasst. Aus der induzierten Spannung lässt sich durch Integration der magnetische Fluss bestimmen. Anhand einer definierten Beziehung zwischen dem Fluss und dem durch die Spule L_M fließenden Strom I kann die Position s ermittelt werden. Sie wird als Stellgröße an den Regler RG weitergeleitet. Gemäß dem nachfolgend näher beschriebenen Regelungsprinzip wird die Kraft auf den Anker in der Schützspule L_S bzw. dessen Beschleunigung auf einen definierten Wert geregelt.
In 4 ist die zur Regelung herangezogene Sollwertkurve „Geschwindigkeit über Position" wiedergegeben. Bei einem Luftspalt von 3,8 mm, in jedem Fall vor dem Schließen der Hauptkontakte, soll die Geschwindigkeit in etwa 0,5 m/s betragen und bis zum Schließen des Magnetsystems beibehalten werden. Hierzu ist zu bemerken, dass die Hauptkontakte ein vordefiniertes Stück vor dem Auftreffen des Ankers auf das Joch des Magnetsystems bereits in Kontakt treten. Startpunkt beim Schließen ist die Ruhelage (Aus-Position) mit der Geschwindigkeit Null des Ankers bzw. beweglichen Kontakts. In jeder Position bzw. Größe des Luftspalts wird gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versucht, die Beschleunigung derart einzustellen, dass die Geschwindigkeit bei 3,8 mm Luftspalt den Wert 0,5 m/s erreicht, wenn diese Beschleunigung konstant beibehalten wird. Dies bedeutet, dass bei der Berechnung eines zu verwendenden Beschleunigungswerts in jedem Messzeitschritt festgestellt wird, ob mit der aktuellen Geschwindigkeit und der aktuellen Beschleunigung der Eckpunkt 0,5 m/s bei 3,8 mm der Geschwindigkeitskurve über- oder unterschritten wird, wenn die aktuelle Beschleunigung beibehalten wird. Dementsprechend wird die Antriebsspule des Magnetsystems an- oder abgeschaltet.
Die in 4 dargestellte Sollwertkurve kann auch einen anderen Verlauf aufweisen. So kann beispielsweise zwischen der Schließposition (0 mm) und der Position 3,8 mm, bei der die Geschwindigkeit auf 0,5 m/s geregelt wird, gegebenenfalls weitere Eckpunkte definiert werden, um der Mechanik beim Schließen des elektrischen Schaltgeräts gegebenenfalls besser Rechnung zu tragen.
In dem gewählten Ausführungsbeispiel wird nicht direkt ein Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensor zur Erfassung der entsprechenden Größen verwendet. Vielmehr wird die Position aus dem Strom- und Flusssignal der Messspule L_M hergeleitet.
5 zeigt in einer Kurvenschar den diesbezüglichen rechnerischen Zusammenhang Ψ = f(I, x). Aus der Kurvenschar kann eindeutig bei bekanntem Strom und bekanntem Fluss auf eine Öffnungsweite der Kontakte geschlossen werden. Gemäß einem einfachen Lösungsansatz kann der Weg s aus den Kurven anhand eines Polynoms dritten oder fünften Grades ermittelt werden. Der anhand dieser Kurvenschar ermittelte Wert des Wegs s wird gemäß 3 von der Auswerteeinheit AW an den Regler RG übermittelt.
Simulationsergebnisse der erfindungsgemäßen Schaltung mit Beschleunigungsregelung sind in den Diagrammen von 6 dargestellt. Die dargestellten Größen entsprechen denen von 1 und 2. Auch in 6 ist die Einschaltbewegung eines Schützes über der Zeit dargestellt. Im Idealfall verläuft die Einschaltbewegung entlang der vorgegebenen Sollwertkurve von 4. In diesem Fall wird auf eine konstante Beschleunigung geregelt. Falls bei dem Einschaltvorgang jedoch Punkte neben der Sollwertkurve als Istwerte festgestellt werden, so wird die Beschleunigung derart nachgeführt, dass wiederum der Eckpunkt (vergleiche Pfeile in 4) erreicht wird. Eine solche Abweichung von der Sollwertkurve ist insbesondere beim Einsatz gleichgerichteter Wechselspannung für die Ansteuerung der Antriebsspule von Bedeutung, da hier die Stromeinbrüche zu Istwerten unterhalb der Sollwertkurve führen.
Wie dem obersten Diagramm von 6 zu entnehmen ist, wird die Spannung an der Antriebsspule zunächst angeschaltet, wie dies auch in dem Beispiel von 1 der Fall ist. Der Strom (gepunktete Linie) steigt entsprechend rasch an. Sobald der Strom einen gewissen Wert erreicht hat, setzt die Regelung durch An- und Abschalten der Spannung ein. Dabei ist zu beachten, dass an die Antriebsspule auch eine negative Spannung, d. h. eine Gegenspannung, angelegt wird, damit der Strom bzw. Fluss gegebenenfalls rascher abgesenkt werden kann.
Im mittleren Diagramm von 6 ist zu erkennen, dass während der Regelung die Magnetkraft (gepunktete Linie) konstant über der Federkraft (gestrichelte Linie) gehalten wird. Dies be deutet, dass die Kraft auf den Anker und damit seine Beschleunigung während des Einschaltvorgangs gleich bleibt.
Beim Erreichen der Geschwindigkeit von 0,5 m/s (vergleiche durchgezogene Linie im untersten Diagramm von 6) wird der Strom und somit auch die Magnetkraft etwas nach unten geregelt, so dass die Magnetkraft der entgegenwirkenden Federkraft betragsmäßig entspricht und die Geschwindigkeit somit beibehalten wird.
Beim anschließenden Auftreffen der Kontakte aufeinander, wenn sich die Federkraft sprunghaft erhöht, muss zur Beibehaltung der Geschwindigkeit die Magnetkraft (gepunktete Linie im mittleren Diagramm) hochgeregelt werden. Dies wird durch ein Anschalten der Spannung an der Spule (durchgezogene Linie im obersten Diagramm) bzw. Anstieg des Stroms durch die Spule (gepunktete Linie im obersten Diagramm) erreicht. Der kurze Geschwindigkeitseinbruch beim Auftreffen der Kontakte aufeinander kann somit kompensiert werden (vergleiche durchgezogene Linie im untersten Diagramm). Der von den Kontakten beim Einschaltvorgang zurückgelegte Weg (vergleiche gestrichelte Linie im untersten Diagramm von 6) über der Zeit entspricht im Wesentlichen dem von 1.
In dem hier dargestellten Beispiel wird eine nachgeführte Beschleunigungsregelung durchgeführt. Dies bedeutet, dass in einer Tabelle bzw. Kurve entsprechend 4 ein oder mehrere Sollwertpunkte (v_soll, s_soll) vorgegeben werden. Die aktuellen Werte für Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg b_akt, v_akt und s_akt werden gemessen bzw. ausgewertet. Daraus wird gemäß der Formel trest = (sakt – ssoll)/((vsoll + vakt)/2)eine Restlaufzeit t_rest berechnet, die vom aktuellen Zustand bis zum Erreichen des Eckpunkts (3,8 mm, 0,5 m/s) von 4 verbleibt. Aus dieser Restlaufzeit wird gemäß der Formel vschalt = vakt + bakt·trest ein Schaltgeschwindigkeitswert v_schalt vorhergesagt, mit dem sich die Kontakte zum Schaltzeitpunkt aufeinander zu bewegen würden, wenn die Beschleunigung beibehalten wird. Als Regelungskriterium gilt nun, dass die Spannung an der Spule eingeschaltet wird, wenn v_schalt < v_soll ist. Andernfalls, wenn v_schalt > v_soll ist, wird die Spannung an der Spule ausgeschaltet.
Die geschilderte Beschleunigungsregelung kann dahingehend erweitert werden, dass ein weiterer Freiheitsgrad eingeführt wird, der sich insbesondere zu Beginn des Einschaltvorgangs auswirkt. Zur Berechnung der Geschwindigkeit v_schalt zum Schaltzeitpunkt wird gemäß der Formel Vschalt = vakt + k·bakt·trest ein Entfernungsfaktor k berücksichtigt. Dieser lässt sich wie folgt berechnen: k = (sakt – Sj-1)/(sj – sj-1)
Dabei bedeutet j einen Punkt auf der Sollkurve von 4. Der Punkt j = 1 entspricht in diesem Beispiel der Offenposition bei v_akt = 0, der Punkt j = 2 entspricht der Position (3,8 mm, 0,5 m/s) und der Punkt j = 3 entspricht der Geschlossenposition bei s = 0 mm.
Zu Beginn des Einschaltvorgangs ist k = 0, während am Ende des Einschaltvorgangs k = 1 ist. Dies bedeutet, dass die aktuelle Beschleunigung b_akt zu Beginn des Einschaltvorgangs auf die Regelung praktisch keinen Einfluss hat. Vielmehr ist die Regelung zu Beginn des Einschaltvorgangs lediglich vom aktuellen Geschwindigkeitswert v_akt abhängig, womit sich in dieser Phase eine Geschwindigkeitsregelung ergibt. Am Ende des Einschaltvorgangs wird die Geschwindigkeitsregelung von der Beschleunigungsregelung abgelöst.
Als Variante zu den oben beschriebenen Beschleunigungsregelungen kann auch eine sehr einfache Beschleunigungsregelung eingesetzt werden. Diese besteht lediglich in der Vorgabe einer Tabelle bzw. Funktion der Beschleunigung in Abhängigkeit des Weges b_soll (s). Die aktuelle Beschleunigung b_akt und der aktu elle Weg s_akt werden gemessen oder ausgewertet. Zur Regelung wird die Spannung an der Spule eingeschaltet, wenn b_akt < b_soll (s_akt) ist. Für den Fall, dass b_akt > b_soll (s_akt) ist, wird die Spannung ausgeschaltet.
Wie bereits erwähnt und im Zusammenhang mit 5 dargestellt, kann die Positionsbestimmung aus der Messung des Stroms und des Flusses erfolgen. Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Flussmessung, die indirekt über eine Spannungsmessung erfolgt, mit Hilfe einer getrennten Messwicklung erfolgen, bei der an einer unabhängigen Messspule L_M gemäß 3 eine induzierte Spannung U_i gemessen wird. Der Fluss wird dann mittels numerischer Intregration über die induzierte Spannung U_i berechnet oder mit Hilfe einer Analogschaltung ermittelt.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform wird die Spannungsmessung zur Ermittlung des Flusses direkt an der Erregerwicklung bzw. Antriebsspule ermittelt. Zur exakten Bestimmung der Wicklungsspannung U_W erfolgt eine rechnerische Korrektur des Wicklungswiderstands aus zwei Integrationsintervallen während des Stromanstiegs ohne Bewegung. Hierzu werden beispielsweise ein Intervall 1 von I = 0 bis I = 0,5 A und ein Intervall 2 von I = 0 bis I = 1,0 A festgelegt. Für das Intervall 1 werden ein Integral über den Strom II0 und ein Integral über die Spannung IU01 ermittelt. Für das Intervall 2 werden ebenfalls ein entsprechendes Integral II02 über den Strom und ein Integral IU02 über die Spannung berechnet. Aus der Formel R = (IU02 – 2·IU01)/(II02 – 2·II01)wird der ohmsche Widerstand der Spule berechnet. In Kenntnis des Stroms i kann entsprechend der Formel Ui = UW – R·idie induzierte Spannung U_i aus der Wicklungsspannung U_W berechnet werden.
Damit der magnetische Fluss beim Abregeln der oben geschilderten Beschleunigungsregelung schneller abgebaut werden kann, muss in einem Freilauf kreis eine Gegenspannung erzeugt werden. In dem obersten Simulationsdiagramm von 6 ist diese negative Gegenspannung wie bereits erwähnt angedeutet. 7 zeigt hierzu ein Schaltungsdiagramm gemäß dem eine Schützspule L_S angesteuert werden kann. Über einen Gleichrichter GL wird ein Kondensator C und eine Regelungsschaltung RG (vergleiche 3) mit Gleichspannung versorgt. Über eine Brückenschaltung bestehend aus zwei Transistoren T1 und T2 sowie zwei Dioden D1 und D2, die ebenfalls mit der Gleichspannung beaufschlagt wird, wird die Schützspule L_S versorgt. Beim Einschalten der Schützspule fließt der Strom von dem Gleichrichter GL über den Transistor T1, die Schützspule L_S, dem dem Transistor T1 diagonal gegenüberliegenden Transistor T2 und zurück in den Gleichrichter. Beim Ausschalten der Schützspule L_S fließt der Strom hingegen über die Diode D2, die Schützspule L_S, die der Diode D2 diagonal gegenüberliegende Diode D1 und den zum Gleichrichter GL parallelen Kondensator C. Der Kondensator C ist bereits auf die Amplitude der Netzspannung U_C geladen und steht als Gegenspannungsquelle zur Verfügung. Ist die Kapazität des Kondensators C sehr groß, so ist die Geschwindigkeit der Erregung der Schützspule L_S in etwa identisch mit der Geschwindigkeit der Entregung. Wird jedoch die Kapazität des Kondensators C klein gewählt, erhöht sich die Gegenspannung durch den Abbau des magnetischen Flusses in der Schützspule L_S auf den Wert U'c. Somit ergibt sich im Kondensator die folgende Energieänderung:
Durch diesen Spannungsanstieg am Kondensator ist die Geschwindigkeit der Entregung größer als die Geschwindigkeit der Erregung.
Der Kondensator sollte so dimensioniert werden, dass er die maximale auftretende magnetische Energie E_Lmax von der Schützspule L_S aufnehmen kann (ΔE_C = E_Lmax).

Claims

Ansteuervorrichtung zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts, insbesondere von einem Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist, mit – einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme oder Erfassung einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers und/oder eines damit verbundenen Kontakts und – einer Regelungseinrichtung (RG) zum Steuern oder Regeln der Bewegung des Ankers bzw. des Kontakts dadurch gekennzeichnet, dass – mit der Regelungseinrichtung (RG) die Beschleunigung des Ankers bzw. des Kontakts steuer- oder regelbar ist.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsgröße der zurückgelegte Weg (s) ist.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung in der Regelungseinrichtung (RG) anhand einer Sollkurve, die den Zusammenhang von Geschwindigkeit und Position darstellt, durchführbar ist.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung in der Regelungseinrichtung (RG) anhand einer Sollkurve, die den Zusammenhang von Beschleunigung und Position darstellt, durchführbar ist.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Sollkurve den Bereich der Kontaktberührung einschließt.
Ansteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Sollkurve den Bereich der Magnetberührung einschließt.
Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmeeinrichtung einen Wegsensor umfasst, aus dessen Signal durch analoge oder digitale Differenziation Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung ableitbar sind.
Ansteuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Wegsensor eine Spule (L_S) aufweist, deren Strom gemessen und deren magnetischer Fluss aus dem Integral der induzierten Spannung bestimmt wird, so dass daraus die Position des Ankers bzw. des Kontakts ermittelbar ist.
Ansteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Aufnahmeeinrichtung einen Geschwindigkeitssensor umfasst, aus dessen Signal durch analoge oder digitale Differenziation bzw. Integration Weg und Beschleunigung des Ankers oder des Kontakts ableitbar sind.
Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Messspule (L_M) zur Bestimmung des magnetischen Flusses aufweist, die an einer Antriebsspule des magnetischen Aktuators oder des elektrischen Schaltgeräts anbringbar und von dieser unabhängig ist.
Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Prozessor und einen Halbleiterschalter aufweist, wobei der Halbleiterschalter zum An- und Abschalten einer Antriebsspule (L_S) einsetzbar ist und der Prozessor zur Ansteuerung des Halbleiterschalters mit diesem verbunden ist.
Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Freilauf kreis aufweist, in dem ein Strom beim Abschalten einer Antriebsspule durch eine Gegenspannung abbaubar ist.
Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Regelungseinrichtung (RG) die Entfernung zweier Kontakte oder zweier Magnetkomponenten für die Regelung der Beschleunigung berücksichtigbar ist.
Elektrisches Schaltgerät, insbesondere Schütz oder Relais mit einer Ansteuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Ansteuern eines magnetischen Aktuators oder eines elektrischen Schaltgeräts, insbesondere von einem Schütz oder Relais, der/das einen Anker aufweist, durch – Aufnehmen oder Erfassen einer Bewegungsgröße bezüglich des Ankers und/oder eines damit verbundenen Kontakts und – Steuern oder Regeln der Bewegung des Ankers bzw. des Kontakts dadurch gekennzeichnet, dass – die Beschleunigung des Ankers bzw. des Kontakts gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Bewegungsgröße der zurückgelegte Weg (s) ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Regelung anhand einer Sollkurve, die den Zusammenhang von Geschwindigkeit und Position darstellt, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Regelung anhand einer Sollkurve, die den Zusammenhang von Beschleunigung und Position darstellt, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Sollkurve den Bereich der Kontaktberührung einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Sollkurve den Bereich der Magnetberührung einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Aufnehmen der Bewegungsgröße durch einen Wegsensor erfolgt, aus dessen Signal durch analoge oder digitale Differenziation Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Wegsensor eine Spule (L_S) umfasst, deren Strom gemessen und deren magnetischer Fluss aus dem Integral der induzierten Spannung bestimmt wird, woraus anschließend die Position des Ankers oder Kontakts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Bewegungsgröße mit Hilfe eines Geschwindigkeitssensors ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei der magnetische Fluss durch eine Messspule (L_M) gemessen wird, die an die Antriebsspule des magnetischen Aktuators oder des elektrischen Schaltgeräts angebracht wird und von dieser unabhängig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei der Strom beim Abschalten einer Antriebsspule (L_S) des magnetischen Aktuators oder des elektrischen Schaltgeräts durch eine Gegenspannung in einem Freilauf kreis abgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die Entfernung zweier Kontakte oder zweier Magnetkomponenten des magnetischen Aktuators oder des elektrischen Schaltgeräts für die Regelung der Beschleunigung berücksichtigt wird.