DE19641188C1

DE19641188C1 - Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines Schaltgerät-Magnetantriebs

Info

Publication number: DE19641188C1
Application number: DE1996141188
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Roehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: WO1998013847A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Energie versorgung eines Schaltgerät-Magnetantriebs aus einer Gleich spannungsversorgungseinrichtung mittels einer elektronischen Schalteinrichtung, die durch von einer Steuerschaltung be reitgestellte Steuersignale nach dem Prinzip eines Pulswei tenmodulators taktweise freigeben ist, wobei die Dauer und/oder die Frequenz der Steuersignale durch eine Meßspan nung veränderbar sind, die an einer mit dem Magnetantrieb in Reihe liegenden Meßwiderstandseinheit abfällt.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art ist durch das DE 94 09 759 U1 bekannt. An der Meßwiderstandsein heit entstehen dabei synchron mit den übertragenen Stromim pulsen des Schaltgerät-Magnetantriebs Spannungsimpulse, die je nach Betriebszustand der Schaltungsanordnung eine stark schwankende Impulsdauer und eine veränderbare Frequenz der Impulse aufweisen können. Diese unterschiedlichen Impulsfol gen können nur dann als Eingangsgröße einem in der Schal tungsanordnung enthaltenen Operationsverstärker zugeführt werden, wenn dieser mit speziell geeigneten Bauelementen aus gestattet ist. Bei den für diesen Zweck benötigten Operati onsverstärkern handelt es sich um sogenannte schnelle Opera tionsverstärker, die erhöhte Anforderungen an die Güte ihrer Stromversorgung stellen. Da andererseits die Gleichspannungs versorgungseinrichtungen stärkeren Spannungsschwankungen aus gesetzt sind und außerdem die Magnetantriebe der Schaltgeräte wegen ihrer breit gefächerten unterschiedlichen Einsatzgebie te schwankende Spannungsabfälle an der Meßwiderstandseinheit hervorrufen, sind besondere Spannungsversorgungen für die Operationsverstärker, beispielsweise Schaltnetzteile, erfor derlich.

Durch das DE 295 03 146 U1 ist eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Schützes bekanntgeworden, bei dem anstelle eines Pulsweitenmodulators eine Zeitsteuereinrichtung in Ver bindung mit einem umschaltbaren Meßwiderstand benutzt wird. Dieser besteht aus zwei parallegeschalteten Widerständen, von denen der eine in Reihe mit einem durch die Zeitsteuerein richtung betätigbaren elektronischen Schalter liegt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die interne Spannungsversorgung für einen Impulsweitenmodulator aufweisende Schaltungsanordnungen, bei den von Anzugsstrom auf Haltestrom umgeschaltet wird, erheblich zu vereinfachen und insbesondere auch den materiellen Aufwand für diese Art der Spannungsversorgung zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

1.1 die an der Meßwiderstandseinheit abgreifbare Spannung ist mittels einer gleichfalls taktweise betätigbaren zweiten elektronischen Schalteinrichtung einem Meßspannungsspei cherkondensator als Meßspannung zuführbar,
1.2 die Meßspannung und eine von der Gleichspannunnungsver sorgungseinrichtung über einen Referenzspannungswider stand erzeugte Referenzspannung ist einem in der Steuer schaltung angeordneten Operationsverstärker zuführbar,
1.3 die Steuerschaltung enthält eine Pulsweitenmodulator schaltung mit einem hochohmigen Widerstand zur Steuerung von breiten Impulsen, dem ein niederohmiger Widerstand in Reihe mit einer Zenerdiode zur Steuerung von schmalen Impulsen parallelgeschaltet ist,
1.4 die Pulsweitenmodulatorschaltung steht unter dem Steuer einfluß einer Nadelimpulsschalteinrichtung,
1.5 die Referenzspannung (RSP) ist durch eine Steuergenera toreinrichtung (SGE) derart steuerbar, daß der Schaltge rät-Magnetantrieb (SMA) im Einschaltvorgang mit einem ge genüber seinem Haltestrom erhöhten Anzugsstrom ansteuer bar und der Anzugsstrom periodisch wiederkehrend zum Schaltgerät-Magnetantrieb (SMA) übertragbar ist, erreicht.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die in einem großen Bereich von Meßspannungen betrieben wird, sind die Steuersignale mit einem großen Tastverhältnis im Bereich von 1 : 100 zur Verfügung zu stellen. Um unter diesen Gegebenheiten die Steuersignale mit guter Rechteckform zu erzeugen, ist die Steuerschaltung erfindungsgemäß mit dem relativ niederohmigen Widerstand in Reihe mit der Zenerdiode im Bereich der Puls weitenmodulatorschaltung ausgestattet, dem der relativ hochohmige Widerstand parallelgeschaltet ist. Über den hochohmigen Widerstand ist die Erzeugung breiter Rechteckim puls realisiert, während über den parallelen Schaltungszweig, den niederohmigen Widerstand und die Zenerdiode in Verbindung mit dem hochohmigen Widerstand, Rechteckimpulse von kurzer Dauer erzeugt werden.

Als wesentlich für die Erfindung ist außerdem anzusehen, daß mit der Steuergeneratoreinrichtung in Verbindung mit einer elektronischen Schalteinrichtung der Schaltgerät- Magnetantrieb beim Einschalten mit einem Anzugsstrom betätigt wird, der erheblich über den Wert des Haltestromes liegt und damit ein sicheres Funktionieren des Schaltgerät- Magnetantriebs gewährleistet ist. Störbeeinflussungen durch mechanische Erschütterungen, die nach dem Umschalten von dem Anzugsstrom auf den Haltestrom auftreten können und den Schaltgerät-Magnetantrieb dadurch in eine undefinierte Lage bringen, sind dadurch vermieden, daß der Anzugsstrom in be stimmten Zeitabschnitten, beispielsweise im Bereich von acht Sekunden, wiederholt und für geringe Zeit, beispielsweise im Bereich von 150 Millisekunden, aufrechterhalten bleibt. Damit ist erreicht, daß die Wicklungen des Schaltgerät- Magnetantriebs als Dauerlast nicht auf den relativ großen An zugstrom sondern auf den geringeren Haltestrom ausgelegt sein können. Damit sind neben Kosteneinsparungen auch unnötige Wärmeverluste vermieden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Merk male

2.1 die Steuerschaltung steht derart mit einer von der Gleichspannungsversorgungseinrichtung beeinflußbaren Un terspannungsschutzschaltung in Verbindung, daß mit dem Absinken der Gleichspannung unter einen bestimmten Grenz wert mit einem Ausgangssignal die erste elektronische Schalteinrichtung gesperrt ist,
2.2 das Ausgangssignal ist an den Eingang des Operationsver stärkers für die Referenzspannung geführt, vor, so daß eine Zwangsabschaltung des Schaltgerät- Magnetantriebs bei zu geringer Gleichspannungsversorgung gewährleistet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal

3.1 die Meßwiderstandseinheit ist durch einen Festwiderstand gebildet,

vor. Damit ist eine sehr einfache und kostengünstige Lösung für den Abgriff der Meßspannung erreicht.

Eine weitergehende vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht die Merkmale

4.1 die Meßwiderstandseinheit ist durch eine Reihenschaltung von einem ersten und einem zweiten Widerstand mit unter schiedlichem Widerstandswert gebildet,
4.2 dem höherohmigen ersten Widerstand ist eine Diode als Ne benschluß parallelgeschaltet,
4.3 die Meßwiderstandseinheit ist durch eine Meßumschalteein richtung derart steuerbar, daß bei einer ersten Schalt stellung derselben unterhalb des Wertes der Durchschalte spannung der Diode die Reihenschaltung des ersten und zweiten Widerstands und in einer zweiten Schaltstellung derselben der zweite Widerstand wirksam geschaltet ist,
4.4 die Meßumschalteeinrichtung (MUE) ist von der Steuergene ratoreinrichtung (SGE) steuerbar,

vor.

Bei erhöhtem Spulenstrom des Schaltgerät-Magnetantriebs bil det die Diode zum hochohmigen Widerstand einen Nebenschluß und entlastet diesen dadurch. Durch das Widerstandsverhältnis der beiden in Reihe geschalteten Widerstände kann der Regel bereich dieser als sogenannte Sparschaltung betriebenen Schal tungsanordnung in weiten Grenzen gewählt werden.

Die Erfindung wird durch ein in zwei Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei die Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem vereinfachten Prinzipschaltbild zeigt, während die Figur zwei eine weiter gebildete Ausgestaltung der Meßwiderstandseinheit erkennen läßt.

In der Fig. 1 ist der Schaltgerät-Magnetantrieb SMA darge stellt, der im Laststromkreis gemeinsam mit der Meßwider standseinheit MWE angeordnet ist und in Verbindung mit der ersten elektronischen Schalteinrichtung ES1 von der Gleich spannungsversorgungseinrichtung SVE mit Schaltenergie ver sorgt wird. Der Schaltgerät-Magnetantrieb SMA wird indirekt über die erste elektronische Schalteinrichtung ES1, die unter dem Steuereinfluß der Steuerschaltung STS mit der Pulsweiten modulatorschaltung PWM steht, durch definierte Schaltimpulse gespeist, wo durch an der Meßwiderstandseinheit MWE ein ent sprechender Spannungsabfall entsteht. Dieser Spannungsabfall wird über die zweite periodisch gesteuerte elektronische Schalteinrichtung ES2 an den Meßspannungsspeicherkondensator CMS übertragen, an dem sich schließlich die Meßspannung MSP einstellt. Zur gelegentlichen Regenerierung des Meßspannungs speicherkondensators CMS ist diesem ein hochohmiger Entlade widerstand REL parallel geschaltet.

Diese Meßspannung MSP wird direkt dem einen Eingang des Ope rationsverstärkers OPV zugeführt, dessen weiterer Eingang mit der am ersten und zweiten Refererenzspannungswiderstand RS1, RS2 anstehenden Referenzspannung RSP verbunden ist.

Des weiteren ist erkennbar, daß dem Operationsverstärker OPV der Steuerschaltung STS im Bereich der Pulsweitenmodulator schaltung PWM der hochohmige Widerstand Rh nachgeschaltet ist, der seinerseits mit dem niederohmigen Widerstand Rn und der in Reihe liegenden Zenerdiode ZD eine Parallelschaltung zu diesem bildet und deren gemeinsame Verbindung gleichzeitig über die Komparatorschaltung KS mit dem Steuereingang der er sten elektronischen Schalteinrichtung ES1 verbunden ist. Zum Betrieb der Pulsweitenmodulatorschaltung PWM werden auf den gleichen Steuereingang der ersten elektronischen Schaltein richtung ES1 über eine nicht bezeichnete Diode der Nadelim pulsschalteinrichtung NIS entsprechend Nadelimpulse eingekop pelt, die den Ladekondensator CL entsprechend aufladen. Zur Überwachung der Netzspannung steht die Gleichspannungs versorgungseinrichtung SVE zusätzlich mit der Unterspannungs schutzschaltung USS in Verbindung, deren nicht bezeichnetes Ausgangssignal derart auf den Operationsverstärker OPV der Steuerschaltung STS einwirkt, daß beim Unterschreiten einer bestimmten Netzspannung die erste elektronische Schaltein richtung ES1 gesperrt ist. Mit der Sperrung der ersten elek tronischen Schalteinrichtung ES1 wird der Stromkreis des Schaltgerät-Magnetantriebs SMA unterbrochen. Damit ist si chergestellt, daß der Schaltgerät-Magnetantrieb SMA bei Un terschreitung einer bestimmten Netzspannung durch die ent sprechende Auslösung vom Netz abgeschaltet wird.

Weiterhin ist erkennbar, daß der zweite Referenzspannungswi derstand RS2 mit der dritten elektronischen Schalteinrichtung ES3 durch die Steuergeneratoreinrichtung SGE in einer be stimmten Taktfolge auf den Steuereingang des Operationsver stärkers OPV einwirkt. Mit der Taktfolge, die beispielsweise für 150 Millisekunden wirksam geschaltet ist und sich an schließend nach jeweils 8 Sekunden wiederholt, wird mit der taktweisen Parallelschaltung der Referenzspannungswiderstände RS1, RS2 beim Einschaltvorgang der Schaltgerät-Magnetantrieb SMA mit einem gegenüber seinem Haltestrom entsprechend hohen Anzugsstrom betätigt. Diese Schaltmaßnahme sichert auch bei stärkeren mechanischen Beanspruchungen, wie sie insbesondere in Kurzschlußfällen auftreten können, einen sicheren Schalt vorgang, nämlich ein sicheres Auslösen des Schaltgerät- Magnetantriebs SMA beim Netzkurzschluß.

Die Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Meßwi derstandseinheit MWE, in Form einer besonderen Widerstands- Dioden-Kombination. Hier sind zwei unterschiedlich große Wi derstände, der erste und der zweite Widerstand R1 und R2, in Reihe geschaltet und zusätzlich dem höherohmigen ersten Wi derstand R1 die Diode DI parallel geschaltet. Regelt die Me ßumschalteeinrichtung MUE, die dann als Ersatz für die dritte elektronische Schalteinrichtung ES3 unter dem Steuereinfluß der Steuergeneratoreinrichtung SGE steht, den Laststrom für den Schaltgerät-Magnetantrieb SMA auf einen hohen Wert, also auf den Anzugsstrom, so bildet die Diode DI für den höhe rohmigen ersten Widerstand R1 einen Nebenschluß und entlastet diesen entsprechend. Durch die Auswahl des Widerstandsver hältnisses der beiden in Reihe geschalteten Widerstände, er ster Widerstand R1 und zweiter Widerstand R2, ist der Regel bereich der sogenannten Sparschaltung zur Betätigung des Schaltgerät-Magnetantriebs SMA in weiten Grenzen wählbar.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines Schaltge rät-Magnetantriebs aus einer Gleichspannungsversorgungsein richtung mittels einer ersten elektronischen Schalteinrich tung, die durch von einer Steuerschaltung bereitgestellten Steuersignale nach dem Prinzip eines Pulsweitenmodulators taktweise freigeben ist, wobei die Dauer und/oder die Fre quenz der Steuersignale durch eine Meßspannung veränderbar sind, die an einer mit dem Magnetantrieb in Reihe liegenden Meßwiderstandseinheit abfällt, gekennzeichnet durch die Merkmale

1.1 die an der Meßwiderstandseinheit (MWE) abgreifbare Span nung ist mittels einer gleichfalls taktweise betätigbaren zweiten elektronischen Schalteinrichtung (ES2) einem Meß spannungsspeicherkondensator (CMS) als Meßspannung (MSP) zuführbar,
1.2 die Meßspannung (MSP) und eine von der Gleichspan nungsversorgungseinrichtung (SVE) über einen ersten und einen zweiten Referenzspannungswiderstand (RS1, RS2) erzeugte Referenzspannung (RSP) ist einem in der Steuer schaltung (STS) angeordneten Operationsverstärker (OPV) zuführbar,
1.3 die Steuerschaltung (STS) enthält eine Pulsweitenmodula torschaltung (PWM) mit einem hochohmigen Widerstand (Rh) zur Steuerung von breiten Impulsen, dem ein niederohmiger Widerstand (Rn) in Reihe mit einer Zenerdiode (ZD) zur Steuerung von schmalen Impulsen parallelgeschaltet ist,
1.4 die Pulsweitenmodulatorschaltung (PWM) steht unter dem Steuereinfluß einer Nadelimpulsschalteinrichtung (NIS),
1.5 die Referenzspannung (RSP) ist durch eine Steuergenera toreinrichtung (SGE) derart steuerbar, daß der Schaltge rät-Magnetantrieb (SMA) im Einschaltvorgang mit einem ge genüber seinem Haltestrom erhöhten Anzugsstrom ansteuer bar und der Anzugsstrom periodisch wiederkehrend zum Schaltgerät-Magnetantrieb (SMA) übertragbar ist.

2. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines Schaltge rät-Magnetantriebs nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale

2.1 die Steuerschaltung (STS) wird derart von einer mit der Gleichspannungsversorgungseinrichtung (SVE) verbundenen Unterspannungsschutzschaltung (USS) gesteuert, daß mit dem Absinken der Gleichspannung unter einen bestimmten Grenzwert mit einem Ausgangssignal die erste elektroni sche Schalteinrichtung (ES1) gesperrt ist,
2.2 das Ausgangssignal ist an den Eingang des Operationsver stärkers (OVP) für die Referenzspannung (RSP) geführt.

3. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines Schaltge rät-Magnetantriebs nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

3.1 die Meßwiderstandseinheit (MWE) ist durch einen Festwi derstand gebildet.

4. Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines Schaltge rät-Magnetantriebs nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale

4.1 die Meßwiderstandseinheit (MWE) ist durch eine Reihen schaltung von einem ersten und einem zweiten Widerstand (R1 und R2) mit unterschiedlichem Widerstandswert gebil det,
4.2 dem höherohmigen ersten Widerstand (R1) ist eine Diode (DI) als Nebenschluß parallelgeschaltet,
4.3 die Meßwiderstandseinheit (MWE) ist durch eine Meßum schalteeinrichtung (MUE) derart steuerbar, daß bei einer ersten Schaltstellung derselben unterhalb des Wertes der Durchschaltespannung der Diode (DI) die Reihenschaltung des ersten und zweiten Widerstands (R1, R2) und in einer zweiten Schaltstellung derselben der zweite Widerstand (R2) wirksam geschaltet ist,
4.4 die Meßumschalteeinrichtung (MUE) ist von der Steuergene ratoreinrichtung (SGE) steuerbar.