DE19917214A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Parallelschaltung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, durch Steuern einer Parallelschaltung, bestehend aus einem Halbleiterschalter und einem oder mehreren elektro-mechanisch betätigten Schaltern. Beim Ein- und Ausschalten ist der Halbleiterschalter und beim Betrieb ist der Kontakt (4) oder sind die Kontakte (4, 4a usw.) der elektromagnetischen Schalter (5, 5a usw.) leitend. Einer von den Kontakten von zum Beispiel vier gleichzeitig angesteuerten elektromechanischen Schaltern (5) mit ihren Kontakten (4), welche den Halbleiterschalter brücken sollen, schließt immer als erster und öffnet immer als letzter. Er trägt die Schaltarbeit und verschleißt trotz dem, daß der Halbleiterschalter während der Betätigung der mechanischen Schalter angesteuert ist und nur ein geringer Schaltfunken am Kontakt entsteht, während die anderen Kontakte ohne Verschleiß bleiben. Außerdem findet bei immer gleichpoligem Ein- oder Ausschalten, eine zwar geringe aber nach vielen Schaltungen feststellbare gerichtete Materialwanderung von einer zur anderen Kontakthälfte bei dem zuerst und zuletzt schaltenden Kontakt statt. Eine Kontakthälfte baut sich ab die andere auf. Das wird mit der Erfindung durch gesteuertes Umpolen vermieden bzw. ausgeglichen. DOLLAR A Die Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile und läßt alle Kontakte gleichmäßig und nur minimal verschleißen. Die Kontaktlebensdauer erreicht dadurch die des unbelastet betätigten Schalters und liegt bei der ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer in einen Stromkreis geschalteten, elektrischen Last über zueinander parallelschaltbare Kontakte mehrerer einzeln ansteuerbarer elektromagnetischer Schalter, zu deren Kontakte ein Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei beim Ein- und Ausschalten der Halbleiterschalter und beim Betrieb die Kontakte der elektromagnetischen Schalter leitend sind, wobei jeder der einzelnen Kontakte automatisch von isolierenden Oxydschichten gereinigt wird, indem jeder der einzelnen elektromagnetisch ansteuerbaren Kontakte zu vorbestimmbaren Zeiten nach dem Einschalten der Vorrichtung den Strom für kurze Zeit alleine tragen muß. Dieses Verfahren ist schon im Patent DE 197 11 622 C1 beschrieben.

Mit der Erfindung soll vor allem erreicht werden, daß die dem Halbleiterschalter parallel zu schaltenden Kontakte unter geringst möglichem Abtrag von Kontaktmaterial geschlossen und geöffnet werden, trotz der Belastung mit einem von der Kontaktanzahl abhängigen Vielfachen des Kontaktnennstromes des einzelnen Kontaktes und sich durch das Verfahren eine größtmögliche Lebensdauer der Kontakte erzielen läßt.

Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekannt ist:

Beim Schalten einer Last mittels Schützkontakten sind diese durch Abbrand und durch Lichtbögen bei Überströmen gefährdet. Dabei können sie auch verschweißen und nicht nur unbrauchbar werden, sondern auch gefährliche Betriebszustände herbeiführen, da im Fehlerfall bei verschweißten Kontakten ein Ausschalten nicht mehr möglich ist. Schütze werden deshalb überdimensioniert und wegen des vergleichsweise hohen Kontakt-Verschleißes häufiger ausgetauscht.

Es sind auch kontaktlos arbeitende, elektronische Schütze oder Lastrelais bekannt, die aber für die zu erwartenden Kurzschlußströme überdimensioniert werden müssen. Außerdem brauchen solche elektronischen Schütze bei Strömen über einigen Ampere zusätzliche Kühlkörper. Elektronische Lastrelais oder Schütze sind üblicherweise für Spannungen bis zu 600 V und Strömen bis zu 120 A erhältlich. Nachteilig ist hierbei, daß durch den auftretenden Spannungsabfall eine nicht unerhebliche Verlustleistung und damit Wärme auftritt, die über Kühleinrichtungen abgeführt werden muß.

Es ist weiterhin bekannt, diesen elektronischen Lastrelais mechanische Schalter parallel zu schalten, um nach dem Einschalten durch das elektronische Lastrelais den Laststrom über mechanische Kontakte zu führen, um die Verlustleistung am elektronischen Lastrelais zu vermeiden. Somit wird die Wärmeentwicklung an den Halbleitern und der Lichtbogen beim Ein- und Ausschalten an den Schützkontakten unterbunden.

Aus der P 41 32 208 ist ein solches Parallelschalten eines Relaiskontaktes zu einem elektronischen Schalter bekannt, wobei der elektronische Schalter nur zum Ende einer Netzspannungs- Halbwelle leitend gemacht wird und der Relais-Kontakt genau zur selben Zeit geschlossen wird. Dadurch ist eine Kurzschlußfestigkeit beim Einschalten und im Dauerbetrieb gewährleistet, weil für den elektronischen Schalter auch bei einem Ausgangskurzschluß nur eine geringe Belastung vorhanden ist und der mechanische Schalter aufgrund der geringen zu überbrückenden Spannung keinen Lichtbogen beim prellenden Schließen aushalten muß und somit nicht verschweißen kann. Der mechanische Kontakt wird dazu beim Ausschalten vor dem elektronischen Schalter geöffnet. Es sind auch Kombinationen von mechanischen und elektronischen Schaltern bekannt, bei denen voreilende Kontakte des mechanischen Schalters ein Thyristorpaar leitend machen und die Hauptkontakte dieses Thyristorpaar brücken.

Weiterhin ist aus der DE 34 32 025 A1 ein Schaltgerät mit einem Hybrid-Schalter bekannt, bei dem zusätzlich zu einem elektronischen Festkörperschalter und einem dazu parallel geschalteten, elektromechanischem Schalter ein weiterer elektromechanischer Schalter vorgesehen ist, der in Reihe zu dem elektronischen Festkörperschalter geschaltet ist. Durch die beiden elektromechanischer Schalter in den beiden Parallelstrecken kann ein Verbraucher galvanisch von der Stromquelle getrennt werden.

Zum Stand der Technik gehört es ebenfalls nach der oben beschriebenen Art, zu einem Halbleiterschalter einen einzelnen Schütz- oder Relaiskontakt parallelzuschalten, wobei der Halbleiterschalter gesperrt wird wenn der mechanische Kontakt geschlossen hat und der Halbleiterschalter leitend gemacht wird bevor der mechanische Kontakt öffnet. Beim Sperren des Halbleiterschalters bei geschlossenem mechanischen Kontakt wird automatisch der Kontakt gereinigt, das heißt es werden seine isolierenden Oxydschichten durchbrochen weil bei deren Vorhandensein die am isolierten Kontakt anliegende Frittenspannung automatisch über das erforderliche Maß von einigen Volt ansteigt.

Wenn solche Hybridschalter zum Schalten größerer Ströme gefordert werden war es bisher nötig, elektromechanische Schütze zu verwenden, welche mit Ihren Kontakten dem Halbleiterschalter parallelgeschaltet wurden, wobei ein Kontaktpaar, wegen dem Frittenspannungsproblem, auf den vollen Laststrom auszulegen war. Da Schütze aber immer 3 oder mehr Kontaktpaare haben ist diese Lösung teuer und großvolumig. Außerdem sind Schütze oder Relais für große Ströme von zum Beispiel 48 Ampere, träge im Abfallen, das heißt zum Öffnen der Kontakte brauchen sie mehr als wenige Millisekunden, was Anwendungen ausschließt, die ein schnelles Ausschalten des ganzen Schalters innerhalb der Netzspannungshalbwelle erfordern, in welcher ein Fehler im Stromkreis oder in der Speisung des Stromkreises festgestellt wurde.

In der Praxis hat es sich bei der Überbrückung von Halbleiterschaltern durch mehrere parallelgeschaltete Kontakte gezeigt, daß die Kontakte nach einiger Zeit oxydieren können, so daß häufig unbemerkt, die wenigen oder der eine noch im Stromfluß liegenden Kontakte auch im normalen Betrieb den vollen Laststrom übernehmen und dann nach einiger Zeit zerstört werden, da sie nicht für diesen Laststrom im Dauerbetrieb dimensioniert beziehungsweise ausreichend gekühlt sind. Die Folge ist ein Ausfall der Geräte. Beim oben beschriebenen Kontaktreinigen kommt es in der Regel vor, daß nur einer der mehreren parallelgeschalteten Kontakte eines einzelnen elektromagnetischen Schalters gereinigt wird. Die anderen Kontakte bleiben durch die Oxydschichten isoliert, sodaß nur der eine Kontakt den Stromfluß übernimmt und deshalb überlastet wird.

Das Patent DE 197 11 622 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die sich auf Kontakten bildenden Oxydschichten auch dann beseitigt, wenn mehrere parallelgeschaltete elktromechanische Kontakte, welche einzeln ansteuerbar sind, die Halbleiterschalterüberbrückung vornehmen. Das Patent zeigt in den beschreibenden Bildern, wie die Frittenspannung bei einer zum Beispiel negativen Netz­ spannungshalbwelle an einen einzelnen mit einer Isolierschicht belegten Kontakt gelegt wird, wie die Isolierschicht durchbrochen wird und wie die erfolgreiche Isolierschicht-Beseitigung kontrolliert wird. Es beschreibt, daß die Kontaktoberflächen nach einer vorgebbaren Anzahl von Schaltvorgängen oder einer längeren Ausschaltzeit, von isolierenden Oxydschichten gereinigt werden.

Das Patent beschreibt jedoch nicht wie das möglichst Kontakt­ material-abtragsfreie Schließen und Öffnen der Kontakte geschehen soll, was für elektromechanisch betätigte Schalter die bei großen Lastströmen häufig betätigt werden sehr wichtig ist zum Erreichen einer hohem Lebensdauer für die Kontakte, welche ähnlich der Lebensdauer der Kontaktmechanik sein sollte.

In der Praxis hat sich außerdem gezeigt, daß Hybridschalter, welche aus einer Parallelschaltung von einem Halbleiterschalter und zum Beispiel vier elektromechanischen einzeln ansteuerbaren Schaltern bestehen und die Kontaktreinigung nach dem Verfahren nach dem Patent DE 197 11 622 C1 vornehmen, nach ca. 200 000 Schaltungen und bei zum regulären Ein- und Ausschalten gleichzeitigem Ansteuern der vier elektromechanischen Schalter, an dem Kontakt, welcher dabei immer als erster schließt und als letzter öffnet, weil er zufällig das Magnetsystem mit der besten Güte besitzt, also die geringste Anzugsspannung benötigt und die geringste Haltespannung hat, sich auf einer Kontakthälfte ein Aufbaukegel und auf der anderen Kontakthälfte ein entsprechendes Loch bildeten. Diese Materialwanderung beeinträchtigt die Lebensdauer der Kontakte. Die elektromechanischen Schalter wurden dabei immer während der gleichen Netzspannungs-Halbwellen-Polarität ungefähr im Scheitel einer Halbwelle ein- und ausgeschaltet. Eine Kontakthälfte des natürlicherweise vor und nacheilenden einen Kontaktes wurde dabei immer bei der gleichen Polarität ein und ausgeschaltet. Bei dem Auftreten eines Kontaktfunkens, auch wenn er sehr klein ist, trat dieser Beobachtung nach immer eine Materialablösung auf, die bei gleicher Polarität im Lichtbogen die Metall-Ionen immer auf die Kathode hin transportierte.

Diese Beobachtung findet ihre Bestätigung in anderen Elektro­ galvanischen Prozessen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche(s) einen einzelnen dem Halbleiterschalter parallelschaltbaren Kontakt oder mehrere dem Halbleiterschalter parallelschaltbare Kontakte, so in ihrem Schließ- und Öffnungsverhalten und ihrem Zusammenspiel mit dem Schalten des Halbleiters und bezüglich der Phasenlage der Netzwechselspannungshalbwellen zu steuern, daß der Materialabtrag von den Kontaktoberflächen, hervorgerufen durch Lichtbögen, beim Schließen und Öffnen des einen oder der mehreren Kontakte so gering wie möglich ist und eine Kontaktlebensdauer von mehr als 10 Millionen Schaltungen unter Vollast ermöglicht. (Herkömmliche elektromechanische Relais erreichen dabei eine Kontaktlebensdauer von ca. 50.000 Schaltungen.

Der Nutzen der Erfindung ist die Herstellung und Anwendung eines nahezu verschleißfreien elektrischen Schalters für Stromstärken ab 16 Ampere bis zu ca. 100 A und bis zu 500 Volt AC, der gegenüber rein elektromechanischen Schaltern eine nur geringe EMV relevante Störausstrahlung hat, der kompakter, materialsparender und platzsparender gebaut werden kann, der mit geringerer Antriebsenergie als rein elektromechanische Schalter auskommt und der sich und den Lastkreis selbst auf korrekte Funktion überwachen kann. Der Anwender erzielt damit eine größere Betriebssicherheit und spart Servicekosten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum Minimieren des Kontaktmaterialabtrags vorgeschlagen, daß ein einzelner dem Halbleiterschalter parallel-geschalteter Kontakt bei von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder Polarität der anliegenden Netzspannungshalbwellen geschlossen und geöffnet wird.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß jeder Kontakt von mehreren parallelschaltbaren Kontakten bei den Schaltvorgängen zyklisch und reihum als erster schließt und als letzter öffnet, daß das Schließen und Öffnen der als erste und letzte betätigten, einzelnen Kontakte bei von Schaltvorgang zu Schaltvorgang wechselnder Polarität der Netzspannungshalbwellen, zum Verhindern von Materialwanderungen von einer zur anderen Kontakthälfte, stattfindet.

Damit wird erreicht, daß beim Kontaktschließen der so betätigte einzelne Kontakt, die anderen später betätigten Kontakte vor dem Entstehen von Kontaktfunken schützt und nur er alleine den Strom trägt und damit nur er alleine die folgend beschriebene Einwirkung bekommt und daß die Schaltbelastung somit von Schaltvorgang zu Schaltvorgang abwechselnd auf alle der zu schaltenden Kontakte gleichmäßig verteilt wird.

Außerdem wird so geschaltet, daß ein im nahe dem Netz­ spannungsnulldurchgang stattfindendes Schließen und Öffnen des einzelnen Kontaktes erreicht wird, damit die Energien im Restlichtbogen so gering wie möglich sind.

Das Öffnen des als letzten zu öffnenden Kontaktes geschieht immer während der Halbleiterschalter angesteuert ist kurz vor dem Ende einer Netzspannungshalbwelle und immer ein oder zwei Netzspannungshalbwellen vor dem Ausschalten des Halbleiterschalters, so daß dieser einen entstehenden Lichtbogen am sich öffnenden Kontakt sofort kurzschließt.

Das Schließen des ersten Kontaktes geschieht spätestens eine oder zwei Halbwellen nach dem Leitendwerden des Halbleiterschalters, damit sich dieser nicht unnötig erwärmt. Das Schließen der restlichen Kontakte geschieht möglichst kurze Zeit, also wenige Millisekunden nach dem Schließen des ersten Kontaktes, damit sich dieser durch den erhöhten Stromfluß nicht erwärmt.

Zweckmäßig ist es auch, daß wenige Millisekunden vor dem Öffnen des letzten Kontaktes (4, 4a, usw.), alle anderen Kontakte geöffnet werden, damit der letzte zu öffnende Kontakt sich nicht stark erwärmt und erst dann nach dem Öffnen des letzten Kontaktes, der Halbleiterschalter (6) zum Ende der folgenden oder übernächsten Netzspannungshalbwelle gesperrt wird, was wegen der Symmetrie zum polaritätswechselnden Einschalten sein muß.

Zweckmäßig ist es auch, daß der angesteuerte Halbleiterschalter beim immer stattfindenden und lichtbogenbehafteten Prellen beim Schließen der Kontakte und beim lichtbogenbehafteten Öffnen der Kontakte eine Stromübernahme-Verzögerung von weniger als 50 Mikrosekunden bei weniger als 20 Volt am Kontaktlichtbogen hat, damit der Restlichtbogen nur eine geringe Energie besitzt.

Durch diese Maßnahmen wird insbesondere bei häufig unter Last geschalteten Kontakten erreicht, daß der Materialabtrag und die Materialwanderung an den Kontaktoberflächen minimiert wird und das keine einseitig ausgebildeten Kontaktkegel und Kontaktlöcher auf den Kontaktoberflächen entstehen.

Zum Zweck der kontaktschonenden Steuerung ist es bei einem wechsel-spannungs-beaufschlagten Stromkreis vorgesehen, daß die Leitendphase des Halbleiterschalters in einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung beginnt, daß noch in der selben Halbwelle oder nach der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle der erste von den parallel zu schaltenden Kontakten in der Nähe eines darauffolgenden Nulldurchgangs schließt, daß die Ansteuerung der restlichen Relais so geschaltet wird, das die restlichen Relais wenige Millisekunden nach dem ersten Relais ihre Kontakte schließen, damit das zuerst geschlossene Relais seine Kontakte nicht unnötig erwärmt.

Zum Zweck der im Patent DE 197 11 622 C1 beschriebenen und zu bestimmten Zeitpunkten durchzuführenden Kontaktreinigung ist es bei einem wechsel-spannungs-beaufschlagten Stromkreis vorgesehen, daß die Leitendphase des Halbleiterschalters in einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung beginnt, daß nach der Verzögerung von weniger als einer oder zwei Netzspannungshalbwelle(n) der erste von den parallel zu schaltenden Kontakten noch vor dem darauffolgenden Nulldurchgang schließt, daß vom Beginn der folgenden Netzhalbwelle die Ansteuerung des Halbleiterschalters für die Zeit von max. 5 Millisekunden gesperrt wird, damit der Kontakt durch beaufschlagen der Frittenspannung gereinigt werden kann, daß anschließend die Ansteuerung des Halbleiterschalters wieder für wenige Millisekunden bis kurz vor das Ende der Halbwelle wieder­ eingeschaltet wird und daß anschließend die Kontrolle der Kontaktstromübernahme durch Messen des Stromes im Lastkreis oder Messen der Gate-Kathoden Spannung bei einem Thyristor- Halbleiterschalter im nicht angesteuerten Zustand noch vor dem nächsten Netzspannungs-Nulldurchgang erfolgt.

Durch die Strommessung wird überwacht, ob die Spannungsbeauf­ schlagung des oxydierten, mechanischen Kontaktes zum Durchbrechen der Oxydschicht geführt hat.

Das Schließen der restlichen elektromechanischen Kontakte kurze Zeit nach dem Schließen des ersten Kontaktes geschehen und ist nicht mehr kritisch bezüglich der Phasenlage zu den Netzspannungshalbwellen.

Die Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last in einem Stromkreis, indem sich ein elektromagnetische Schalter mit einem Kontakt befindet oder in dem sich wenigstens zwei unabhängig ansteuerbare elektromagnetische Schalter mit wenigstens je einem Kontakt befinden und zueinander parallelschaltbar sind, zu deren Kontakte ein Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei eine Ansteuerschaltung für jeden elektromagnetischen Schalter sowie den Halbleiterschalter vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schalter durch einen Microcontroller geschieht, der die oben beschriebenen Vorgänge Netzspannungsphasensyncron durchführt.

Zweckmäßigerweise beinhaltet die Ansteuerschaltung eine Mess­ einrichtung zur Erfassung von Meßwerten mit wenigstens einem Stromsensor und/oder wenigstens einem Spannungssensor. Der Mikrocontroller kann dabei sowohl Steuer- als auch Meßaufgaben übernehmen, so daß eine kompakte Bauweise möglich ist.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2-7 Diagrammfolgen für unterschiedliche Betriebszustände der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Betreiben einer in einen Stromkreis 2 geschalteten, elektrischen Last 3. Diese Last 3 kann über mechanische Kontakte sowie einen Halbleiterschalter 6 ein- und ausgeschaltet werden. Im Ausführungsbeispiel sind vier elektromagnetische Schalter 5 bis 5c vorgesehen, deren Kontakte 4 bis 4c zueinander und zu dem Halbleiterschalter 6 parallel geschaltet sind. Der Halbleiterschalter 6 kann ein Triac oder zwei antiparallel geschaltete Thyristoren sein.

Der Halbleiterschalter 6 und die elektromagnetischen Schalter 5 bis 5c werden von einem Mikrocontroller 7 angesteuert. Die vier elektromagnetischen Schalter mit ihren parallel geschalteten Einzelkontakten sind im Ausführungsbeispiel für eine entsprechend hohe Strombelastung vorgesehen. Beispielsweise kann ein Einzel­ kontakt 16 A Strom schalten. Im Ausführungsbeispiel ist somit eine Strombelastung von 64 A zulässig.

Der Halbleiterschalter 6 ist während der Einschaltphase und der Ausschaltphase aktiv und ist so dimensioniert, daß er den vollen Laststrom für kurze Zeit beispielsweise einige Sekunden übernehmen kann, durch die beschriebenen Steuerverfahren aber nur für wenige Hundertstelsekunden den Laststrom alleine tragen muß.

Erfindungsgemäß wird wie folgt verfahren

Während des Einschaltvorganges wird zuerst der Halbleiterschalter 6 angesteuert und damit leitend und anschließend wird einer von den elektromagnetischen Schaltern 5 bis 5c als erster aktiviert, dessen Kontakthälften 4 bis 4c dann den Halbleiterschalter 6 in der Nähe des Nulldurchgangs überbrücken und den Laststrom übernehmen. Während des Kontaktiervorganges steht an den Kontakthälften beim ersten Schließen des prellenden Schließvorgangs nur die Schwellspannung des Halbleiterschalters 6, also etwa 1,5 V an, so daß die Belastung der Kontakthälften ganz erheblich reduziert ist und Störungen durch Funkenbildung vermieden werden. Beim Einschaltprellen: Vor dem anschließenden wiederholten bis zum endgültigen Schließen steigt die Spannung über den Kontakthälften bis auf die Zündspannung des Halbleiterschalters von ca. 20 Volt für die Dauer der Zündverzugszeit des Halbleiterschalters an. Durch die nach weniger als einer Millisekunde endgültig geschlossenen Kontakthälften wird der Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter 6 kleiner als dessen Schwellspannung, so daß er nach dem Schließen der Kontakthälften inaktiv ist und keinen Strom führt. Der Halbleiterschalter kann dabei weiterhin angesteuert bleiben, außer er muß das Kontaktreinigen steuern. Anschließend werden mit einer Verzögerung von wenigen Millisekunden die restlichen Kontakte 4 bis 4c geschlossen.

Beim Ausschaltvorgang läuft die Schaltfolge umgekehrt ab, indem bis auf den zuerst geschlossenen Kontakt, zuerst die zuletzt geschlossene mechanischen Kontakte 4 bis 4c, bei angesteuertem Halbleiterschalter 6 kurz vor einem Nulldurchgang der Netzspannungshalbwelle mit der gleichen Polarität bei welcher die Kontakte zuvor eingeschaltet wurden, geöffnet werden, dann wird nach wenigen Millisekunden der letzte Kontakt geöffnet und erst dann wird zum Ende der folgenden Netzspannungshalbwelle der inzwischen alleine den Laststrom tragende Halbleiterschalter 6 gesperrt und damit der Stromkreis unterbrochen. Jeder Schaltvorgang wird bei wechselnden Polaritäten der Netzspannungshalbwellen vorgenommen. Einmal wird bei positiver Netzhalbwelle eingeschaltet und bei negativer Netzhalbwelle ausgeschaltet und das nächste Mal bei entgegengesetzten Polaritäten ein- bzw. ausgeschaltet. Damit wird ein definierter Kontaktmaterialtransport hin und her zwischen den Kontakthälften beim jeweiligen Schalten erreicht. Es kann jedoch auch in einem Schaltvorgang bei gleichen Polaritäten ein- und ausgeschaltet werden und die Polarität insgesamt zwischen Schaltvorgang und Schaltvorgang gewechselt werden.

Mit Hilfe einer Meßeinrichtung 8 besteht die Möglichkeit der zeitweise durchführbaren Kontrolle des Schließzeitpunktes der einzelnen Kontakte 4 bis 4c, ob ein Kontakt im richtigen Zeitfenster kurz vor einem Netzspannungsnulldurchgang schließt oder ob er gereinigt werden muß. Fließt über den Halbleiterschalter 6 bei angesteuertem Halbleiterschalter und gleichzeitig parallel geschlossenem, mechanischen Kontakt Strom, so ist davon auszugehen, daß der geschlossene mechanische Kontakt beispielsweise wegen Oxydation nicht leitet.

Im vorliegenden Fall erfolgt mit Hilfe der Meßeinrichtung 8 eine indirekte Strommessung, indem die Spannung zwischen Kathode und Steueranschluß 9 (Gate) gemessen wird. Wenn der bzw. die Thyristoren des Halbleiterschalters 6 Laststrom führen, ist zwischen Steueranschluß 9 und Kathode beim Ansteuern eine Spannung von ca. 1 V zu messen. Solange der Thyristor Strom führt, steht diese Spannung an, auch wenn keine Zündspannung an den Steueranschluß 9 angelegt ist. Somit ist auf einfache Weise und ohne Zusatz-Bauelemente eine Strommessung im Sinne einer Ja-Nein- Messung möglich.

Zur Auswertung ist die Meßeinrichtung 8 mit dem Mikrocontroller 7 verbunden. Dieser weist eingangsseitig noch zwei Anschlüsse 10 zum Einschalten auf. Weiterhin ist an den Netzeingang mit den Anschlußklemmen 11 und 12 ein Spannungsteiler 13 angeschlossen, dessen Teilerspannung bei einem Wechselstromnetz zur Synchronisation und zum Messen der Spannung vor dem Schalter dient.

Ein weiterer Spannungsteiler 14 dient zur Spannungsmessung am lastseitigen Ausgang und dient zur Erkennung von Schaltfehlern des Halbleiterschalters 6 wie beispielsweise eine Unterbrechung oder auch das Durchlegieren des Halbleiterschalters.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet somit einen Hybridschalter mit Meßeinrichtung(en) zur Selbstdiagnose und mit Steuerverfahren der elektromechanischen und des Halbleiterschalters zum Erreichen eines minimalen Kontaktmaterialabtrags der elektromechanischen Schaltkontakte.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird nachstehend anhand der Diagramme nach Fig. 2 bis 7 näher erläutert.

Jeder Figur sind mehrere Diagrammzeilen zugeordnet, die bei gleichen Funktionen auch mit gleichen, römischen Ziffern gekennzeichnet sind.

Die Diagrammzahlen I bis VI gem.

Fig. 2 zeigt das Verfahren beim Einschalten mehrerer zu einem Halbleiterschalter 6 parallel geschalteten Kontakte 4, 4a usw., wobei der erste zu schaltende Kontakt zusätzlich von Oxydschichten gereinigt wird. Der Stromkreis ist hier und den nachfolgenden Diagrammen an eine Netzwechselspannung mit einer Netzfrequenz von 50 Hz angeschlossen. Die Diagrammzeile I zeigt 1½ Perioden der Netzwechselspannung. Bereiche, in denen Strom fließt, sind mit einer Vertikalschraffur gekennzeichnet.

Die Betrachtung des Funktionsablaufes beginnt mit dem Zeitpunkt t1. Dieser Zeitpunkt t1 fällt mit dem Nulldurchgang der an die Last 3 geschalteten Netzspannung gemäß Diagrammzeile I zusammen. In diesem Nulldurchgang wird der Halbleiterschalter 6 angesteuert, so daß über ihn ein Stromfluß zur Last 3 zustande kommt. Innerhalb derselben Halbwelle oder zuvor wird einer der elektromagnetischen Schalter z. B. 5, dessen Kontakt z. B. 4 zum Halbleiterschalter 6 parallel schaltbar ist, betätigt und es erfolgt zum Zeitpunkt t2 ein mechanischer Kontaktschluß gemäß Diagrammzeile III. Es wird in der Darstellung von Fig. 2 davon ausgegangen, daß der Kontakt durch eine Oxydschicht isoliert ist. Zum Zeitpunkt t4 wird die Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 bis zum Zeitpunkt t6 zum Zweck des Kontaktreinigens unterbrochen. Zum Zeitpunkt t5 übernimmt der Kontakt die Stromleitung. Dies ist in der Diagrammzeile IV verdeutlicht. Trotz mechanischem Kontaktschluß (Diagrammzeile III) zum Zeitpunkt t2 erfolgt gemäß Diagrammzeile IV keine Stromübernahme durch den geschlossenen, mechanischen Kontakt sondern erst zum Zeitpunkt t5.

Zum Zweck der Kontrolle ob der Kontakt leitend ist erfolgt zum Zeitpunkt t7, siehe Diagrammzeile II ein erneutes sperren der Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 und zum Zeitpunkt t8, siehe Diagrammzeile V die Prüfung durch Spannungsmessung am Gate 9, ob der mechanische Kontakt leitend ist. Die Prozedur des Kontaktreinigens ist in dem Patent DE 197 11 622 C1 desselben Erfinders beschrieben und wird hier nicht weiter erläutert.

Zum Zeitpunkt t9 bis t10, siehe Diagrammzeile VI erfolgt der Kontaktschluß der anderen restlichen Kontakte 4a, 4b usw. Der Schließzeitpunkt der restlichen Kontakte ist zeitlich unkritisch, weil der erste Kontakt zu diesem Zeitpunkt sicher geschlossen hat.

Durch das Schließen der weiteren Kontakte erfolgt dann die symmetrische und gleichmäßig verteilte Stromaufteilung auf alle Kontakte. Der Hybridschalter ist damit voll eingeschaltet.

Fig. 3 zeigt den prinzipiell gleichen Vorgang wie in Fig. 2 dargestellt, jedoch ist der Beginn des Kontaktschließzyklus um eine Netzspannungshalbwelle nach rechts versetzt. Damit soll dargestellt werden, daß auch in dieser Beziehung zur Netzspannungshalbwellen-Polarität nach dem beschriebenen Verfahren eingeschaltet werden kann. Der Polaritätswechsel findet von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang statt.

Fig. 4 zeigt den gleichen Einschaltvorgang von Fig. 2 ohne den Kontaktreinigungszyklus.

Fig. 5 zeigt den Einschaltvorgang von Fig. 3 ohne den Kontakt­ reinigungszyklus.

Fig. 6 zeigt den zum Einschalten wie in Fig. 2 beschrieben, gehörenden Ausschaltvorgang.

Fig. 7 zeigt den zum Einschalten wie in Fig. 3 beschrieben, gehörenden Ausschaltvorgang.

Es kann jedoch auch der Einschaltvorgang von Fig. 2 mit dem Ausschaltvorgang von Fig. 7 kombiniert werden. Ebenso kann der Einschaltvorgang von Fig. 3 mit dem Ausschaltvorgang Fig. 6 kombiniert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, durch Steuern einer Parallelschaltung, bestehend aus einem Halbleiterschalter und einem oder mehreren elektro­ mechanisch betätigten Schaltern, wobei beim Ein- und Ausschalten der Halbleiterschalter und beim Betrieb die Kontakte der elektromagnetischen Schalter leitend sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner dem Halbleiterschalter parallel-geschalteter Kontakt (4), bei von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder Polarität der anliegenden Netzspannungshalbwellen geschlossen und geöffnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dem Halbleiterschalter parallelschaltbare Kontakt (4, 4a, usw.), von mehreren elektromechanisch ansteuerbaren Schaltern (5, 5a, usw.), bei den Schaltvorgängen zyklisch und reihum als erster schließt und als letzter öffnet und daß jeder dieser so gesteuerten, als erster und letzter schaltender Kontakt, bei von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder Polarität geschlossen und geöffnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner dem Halbleiterschalter parallel­ geschalteter Kontakt (4) in der Nähe des Anfangs oder Endes einer Netzspannungshalbwelle schließt oder öffnet oder, daß jeder dem Halbleiterschalter parallelschaltbare Kontakt (4, 4a, usw.), von mehreren elektromechanisch ansteuerbaren Schaltern (5, 5a, usw.), bei jedem Schaltvorgang in der Nähe des Anfangs oder Endes einer Netzspannungshalbwelle zyklisch und reihum als erster schließt und als letzter öffnet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß noch in der selben Halbwelle in welcher der Halbleiterschalter (6) eingeschaltet hat oder nach der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle ein einzelner dem Halbleiterschalter parallel-geschalteter Kontakt (4) in der Nähe eines darauffolgenden Nulldurchgangs schließt oder, daß der erste von den parallel zu schaltenden Kontakten, (4, 4a, usw.), von mehreren elektromechanisch ansteuerbaren Schaltern (5, 5a, usw.), noch in der selben Halbwelle in welcher der Halbleiterschalter (6) eingeschaltet hat oder nach der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle in der Nähe eines darauffolgenden Nulldurchgangs schließt und daß die Ansteuerung der restlichen elektromagnetischen Schalter (5, 5a, usw.), so geschaltet wird, das die restlichen Kontakte wenige Millisekunden nach dem ersten Kontakt ihre Kontakte schließen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenige Millisekunden vor dem Öffnen des letzten Kontaktes (4, 4a, usw.), alle anderen Kontakte geöffnet werden und erst dann nach dem Öffnen des letzten Kontaktes, der Halbleiterschalter (6) zum Ende der folgenden oder übernächsten Netzspannungshalbwelle gesperrt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerung der Stromübernahme des Halbleiterschalters (6) bei sich öffnendem Kontakte (4) oder sich öffnenden Kontakten (4, 4a, usw.) der elektromagnetisch ansteuerbaren Schalter (5, 5a, usw.) geringer als 50 Mikrosekunden bei maximal 20 Volt Spannungsanstieg ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitendphase des Halbleiterschalters (6) in einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung beginnt, daß nach der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle der erste von den parallel zu schaltenden Kontakten (4, 4a, usw.) noch vor dem darauffolgenden Nulldurchgang schließt, daß vom Beginn der folgenden Netzhalbwelle die Ansteuerung des Halbleiterschalters (6) für die Zeit von max. 5 Millisekunden gesperrt wird, daß anschließend die Ansteuerung des Halbleiterschalters (6) wieder für wenige Millisekunden bis kurz vor das Ende der Halbwelle wieder­ eingeschaltet wird und daß anschließend die Messung der Gate (9) -Kathoden Spannung bei nicht mehr angesteuertem Halbleiterschalter (6) vorgenommen wird.

8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 7, zum Schalten einer elektrischen Last (3), zum Steuern einer Parallelschaltung, bestehend aus einem Halbleiterschalter (6) und einem oder mehreren elektromechanisch betätigten Schaltern (5, 5a, usw.) in einem Stromkreis, in dem sich ein ansteuerbarer elektromagnetischer Schalter (5) mit einem Kontakt (4) befindet dem ein Halbleiterschalter parallelgeschaltet ist oder in dem sich wenigstens zwei unabhängig ansteuerbare elektromagnetische Schalter (5, 5a, usw.) mit je einem Kontakt (4, 4a, usw.) befinden und zueinander parallelschaltbar sind, zu deren Kontakten ein Halbleiterschalter (6) parallel geschaltet ist, wobei eine Ansteuerschaltung (7) für jeden elektromagnetischen Schalter (5, 5a, usw.) sowie den Halbleiterschalter (6) vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schalter durch einen Microcontroller (7) geschieht, der die in den vorherigen Ansprüchen beschriebenen Steuervorgänge Netzspannungsphasensyncron durchführt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ansteuerschaltung (7) eine Messeinrichtung zur Erfassung von Meßwerten mit wenigstens einem Stromsensor (8) und/oder wenigstens einem Spannungssensor (14) besitzt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (7) einen Steuereingang (10) und eine Messeinrichtung (13) für die Netzspannungsphasenlage besitzt.