DE19957260A1 - Verfahren und Schaltungsanordnungen zum Schutz von Auslösemagneten - Google Patents

Abstract

Dauermagnete in Auslösemagneten von Schaltern reagieren empfindlich. Im ausgelösten Zustand des Auslösemagneten kann der Dauermagnet durch das von der Magnetspule erzeugte Magnetfeld geschwächt und eventuell soweit entmagnetisiert werden, daß er seine Fähigkeit zum Halten des Ankers verliert. Der Strom in der Magnetspule muß deshalb rechtzeitig wieder unterbrochen werden, möglichst bereits kurz nach der Ankerbewegung, d. h. nach Lösen des Ankers vom Dauermagneten. DOLLAR A Verfahrensgemäß ist dazu vorgesehen, daß der Spulenstrom gemessen und der elektronische Schalter bei Erkennen eines negativen Stromimpulses oder bei Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes im Spulenstromkreis auf "Sperren" gesteuert wird. DOLLAR A Zur Überwachung können beispielsweise Komparatorschaltungen für die Strom- und Impulsüberwachung vorgesehen sein. DOLLAR A Das Verfahren eignet sich für alle Auslösespulen, deren Stromkreis nach Auslösen der Ankerbewegung durch einen elektronischen Schalter unterbrochen wird, insbesondere von solchen mit dauermagnetisch haftendem Anker.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Schaltungsanordnun­ gen zum Schutz von Auslösemagneten mit einem Anker und einer Magnetspule, deren Spulenstrom nach erfolgter Auslösung durch Ansteuerung eines elektronischen Schalters unterbrochen wird.

Magnetspulen, mit denen ein beweglicher Anker betätigt wird, werden in Relais, Trenn- und Leistungsschaltern aller Span­ nungsebenen zur direkten oder indirekten Auslösung der Schaltbewegung von mechanischen Schaltkontakten benötigt. Um solche Auslösemagnetspulen klein und kompakt halten zu kön­ nen, wird der Stromkreis der Magnetspule nach erfolgter Aus­ lösung unterbrochen.

Das betroffene Schaltgerät schaltet nach der Auslösung, z. B. durch Federkraft, dauerhaft in eine Aus-Stellung oder die er­ reichte Schaltstellung wird mechanisch verriegelt; sodaß ich das Schaltgerät nachfolgend entweder nur mechanisch, z. B. von Hand, betätigen läßt, was in der Regel eine Einschalt­ handlung ist, oder es ist für eine nachfolgende Betätigung mit einer weiteren Magnetspule ausgerüstet, die in der Gegen­ richtung auf die Schaltkontakte einwirkt.

Aus der DE 28 17 414 ist z. B. ein Niederspannungs-Schutz­ schalter mit einer Auslösemagnetspule bekannt, deren Tauch­ anker durch eine Rückstellfeder in einer Ruhelage gehalten wird und bei Auslösung durch die Erregung der Magnetspule ei­ ne Stößelbewegung auslöst, durch die eine Auslösewelle des Schutzschalters gedreht wird, die neben der Bewegung der Hauptkontakte auch die Unterbrechung von Hilfskontakten im Stromkreis der Auslösemagnetspule bewirkt.

Moderne Auslösemagnete sind nach dem Prinzip des Haftmagneten ausgebildet, d. h. sie enthalten einen Dauermagneten, der ei­ nen Anker entgegen der Kraft einer Speicherfeder festhält. Zum Lösen des Ankers von dem Dauermagneten wird Auslösemagnetspule erregt, die im Anker einen entgegengesetzten Magnetfluß er­ zeugt, der den Magnetfluß des Dauermagneten aufhebt bzw. ver­ drängt. Ein solcher Auslösemagnet ist z. B. aus der US 4,215,328 bekannt.

Die Dauermagnete in derartigen Auslösemagneten reagieren in­ dessen ziemlich empfindlich. Im ausgelösten Zustand des Aus­ lösemagneten kann der Dauermagnet durch das von der Magnet­ spule erzeugte Magnetfeld geschwächt und eventuell soweit entmagnetisiert werden, daß er seine Fähigkeit zum Halten des Ankers verliert. Der Strom in der Magnetspule muß deshalb rechtzeitig wieder unterbrochen werden, möglichst bereits kurz nach der Ankerbewegung, d. h. nach Lösendes Ankers vom Dauermagneten. Mechanische Schaltkontakte sind deshalb, abge­ sehen von ihrem prinzipiell nachteiligen Verschleiß und ihrem bei Alterung wachsenden Kontaktwiderstand, für eine schnelle Unterbrechung des Spulenstromkreises nur bedingt geeignet.

Bekannt ist es, die Unterbrechung des Spulensystems durch ei­ nen elektronischen Schalter zu bewirken, der nach einer Aus­ lösung durch Wegfall einer aus dem Hauptstromkreis entnomme­ nen Hilfsspannung automatisch auf "Sperren" gesteuert wird. Da nicht sicher ist, ob der Magnetanker tatsächlich angezogen hat, da eine Auslösung z. B. bei einer vorübergehenden Umter­ spannung oder einer elektromagnetischen Störung der Ansteuer­ elektronik auch einmal unterbleiben kann, wird die Ansteue­ rung des elektronischen Schalters periodisch wiederholt.

Mit der automatischen Sperrung und ggf. der periodischen Wie­ deransteuerung des elektronischen Schalters ist jedoch der Schutz der Magnetspule und des Dauermagneten allein noch nicht gewährleistet. Insbesondere in Systemen, bei denen in einem Fehlerfall hohe Überspannungen bzw. Überströme im Hauptstromkreis zu erwarten sind, die auf den Auslösemagneten übergreifen können, kann ein hoher Spulenstrom bereits inner­ halb der Ausschaltzeit des Schaltgerätes eine Schädigung des Auslösemagneten bewirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und geeignete Schaltungsanordnungen anzugeben, mit denen der Schutz von Auslösemagneten der eingangs genannten Art sicher gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 5 und 6. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wird der Spulenstrom gemessen und der elektronische Schalter bei Erkennen eines negativen Stromimpulses oder bei Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes periodisch oder dauerhaft auf "Sperren" gesteuert.

Beispielsweise kann dazu der Spulenstrom an einem Strommeßwi­ derstand erfaßt und mittels eines Mikroprozessors ausgewertet werden, der dann bei Erkennen der Schaltkriterien den elek­ tronischen Schalter im Spulenstromkreis auf Sperren steuert. Mit einer solchen Schaltung ist es besonders einfach, die An­ steuerung in einem in der Praxis benötigten weiten Spannungs­ bereich (z. B. 5 bis 30 V) zuzulassen.

Ein negativer Stromimpuls kann auch leicht mit Hilfe einer in den Spulenstromkreis geschalteten Diode erfaßt werden, deren Spannung, z. B. mit einer Komparatorschaltung, überwacht wird. Eine Komparatorschaltung eignet sich auch zur Überwa­ chung der Stromhöhe an einem Strommeßwiderstand im Spulen­ stromkreis.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine erste Variante zur Durchführung des Verfahrens mit Hilfe eines Mikroprozessors,

Fig. 2 eine Variante einer Schaltungsanordnung zur Strom­ und Impulsüberwachung mit Komparatorschalungen,

Fig. 3 eine Variante einer Schaltungsanordnung nur zur Im­ pulsüberwachung und

Fig. 4 eine Variante einer Schaltungsanordnung zur Strom­ überwachung mit periodischer Zuschaltung des Auslösemagnet­ stromkreises des überwachten Schalters.

Fig. 1 zeigt eine erste Realisierungsmöglichkeit des Verfah­ rens. Ein Schalter S, der die zu überwachende Auslösemagnet­ spule enthält, wird z. B. im Fehlerfall eines überwachten Stromkreises mittels einer Gleichspannung ausgelöst. Der Spu­ lenstrom wird dann durch einen Strommeßwiderstand Rmess er­ faßt, dessen Spannung an den Analogeingang eines Mikroprozes­ sors µP geführt wird. Bei Erkennen eines signifikanten Strom­ abfalls im Spulenstromkreis oder bei Erkennen eines zu hohen Stromes im Spulenstromkreis wird die Ansteuerung eines elek­ tronischen Schalters (Schalttransistor TR1) im Spulenstrom­ kreis unterbrochen und somit der Stromkreis aufgetrennt.

In Fig. 2 ist eine Schutzschaltung zur Strom- und Impulsüber­ wachung für den Schalter S gezeigt, der z. B. zur Sicherungs­ überwachung einer Sicherung Si dient. Sinn dieser Maßnahme ist es, eine einwandfreie galvanische Auftrennung des elektrischen Stromkreises zu bewirken, die aufgrund einer gewissen Rest­ leitfähigkeit von Schmelzsicherungen sonst nicht gewährleistet wäre. Der Schalter S wird bei einem Ansprechen der Sicherung Si über eine hier nicht gezeigte Auslöselektronik mittels ei­ ner von einer Gleichrichterbrücke GR bereitgestellten Gleich­ spannung angesteuert. Der Schalttransistor TR1 wird zum Zeit­ punkt des Auslösens durch einen Operationsverstärker OPV1 mit einer positiven Spannung an seinem Gate auf Durchlaß gesteu­ ert, da das durch eine Spannungsstabilisatorschaltung bereit­ gestellte Potential an dessen Positiveingang höher ist äls der von einem Spannungsteiler, gebildet durch die Widerstände R1-R4, an dem Negativeingang des Operationsverstärkers OPV1 ge­ führte Potential. Der Strom in der Auslösemagnetspule des Schalters S wird nun durch eine Komparatorschaltung überwacht, die aus dem Operationsverstärker OPV2 und einem Strommeßwider­ stand Rmess besteht. Der Strom durch die Auslösemagnetspule des Schalters S wird durch die am Strommeßwiderstand Rmess abgenommene Spannung erfaßt, die an den Negativeingang des Operationsverstärkers OPV2 geführt ist. Dessen Positiveingang wird durch eine Referenzspannung beaufschlagt, abgenommen wie­ derum an dem Spannungsteiler, der durch die Widerstände R1-R4 gebildet wird. Die Referenzspannung ist so gewählt, daß der Operationsverstärker OPV2, wenn der Strom eine Höhe erreicht, die für die Auslösemagnetspule des Schalter S eine gefährliche Höhe bedeuten würde, seinen Schaltpunkt erreicht. Die Aus­ gangsspannung des Operationsverstärkers OPV2 wird dann Null und die Entkopplungsdiode D2 leitend, so daß das Potential am Positiveingang des Operationsverstärkers OPV1 sinkt und letz­ terer auch seinen Schaltpunkt erreicht. Damit wird dessen Aus­ gangsspannung, wie auch die Spannung am Gate des Schalttransi­ stors TR1 ebenfalls Null; der Schalttransistor TR1 unterbricht den Strom durch die Auslösemagnetspule des Schalters S. Da damit gleichzeitig eine zwischen dem Gate des Schalttransi­ stors TR1 und der Entkopplungsdiode D2 angeordnete Diode D4 leitend wird, wird das Potential am Positiveingang des Opera­ tionsverstärkers OPV1 festgehalten, auch wenn der Operations­ verstärker OPV2 in seinen ersten Schaltzustand zurückkippt. Der Stromfluß durch den Schalter S bleibt damit dauerhaft un­ terbrochen.

Ähnliches geschieht bei der Impulsüberwachung durch eine zweite Komparatorschaltung, gebildet durch einen Operations­ verstärker OPV3 und eine Diode D1 im Stromkreis der Auslöse­ magnetspule des Schalters S. Durch den negativen Stromimpuls­ in der Auslösemagnetspule des Schalters S infolge der Ände­ rung der Spuleninduktivität beim Öffnen des magnetischen Kreises, also wenn der Magnetanker anzieht, entsteht ein deutlicher negativer Spannungsimpuls über der Diode D1. Die Diode D1 gelangt darauf in den Sperrzustand. Sinkt die Span­ nung an der Diode D1 soweit, daß auch das Potential am Posi­ tiveingang des Operationsverstärkers OPV3 unter die Refe­ renzspannung am Negativeingang des Operationsverstärkers OPV3, die wiederum von dem Spannungsteiler R1-R4 bereitge­ stellt wird, absinkt, so wird der Schaltpunkt der Komparator­ schaltung erreicht. Die Ausgangsspannung des Operationsver­ stärkers OPV3 sinkt auf Null, die Entkopplungsdiode D3 wird leitend und das Potential am Positiveingang des Operations­ verstärkers OPV1 sinkt, so daß dessen Schaltpunkt erreicht wird. Der Schalttransistor TR1 unterbricht damit den Strom­ kreis in der Auslösemagnetspule des Schalters S dauerhaft in der oben beschriebenen Weise.

Fig. 3 zeigt eine Variante, bei der nur eine Impulsüberwa­ chung durchgeführt wird. Das an der Diode D1 abgenommene Po­ tential wird hierbei auf die Basis eines Transistors TR2 ge­ legt. Die Basis des bei Anliegen einer Spannung an der Gleichrichterbrücke GR auf Durchlaß gesteuerten Transistors TR2 wird durch einen negativen Spannungsimpuls an der Diode D1, hervorgerufen durch einen negativen Stromimpuls in der Auslösemagnetspule des Schalters S. ebenfalls negativ und schaltet den Transistor TR2 in den Sperrzustand. Damit erhält die Basis eines weiteren Transistors TR3 positives Potential, wodurch dieser das Potential am Gate des Schalttransistors TR1 auf Null setzt. Der Schalttransistor TR1 unterbricht den Strom im Stromkreis der Auslösemagnetspule des Schalters S.

Da bei Potential Null am Gate des Schalttransistors TR1 auch eine zwischen dem Gate des Schalttransistors TR1 und der Ba­ sis des Transistors TR2 angeordnete Diode D5 leitend wird, sinkt das Potential an der Basis des Transistors TR2 soweit ab, daß dieser auch bei Abklingen des Spannungsimpulses über der Diode D1 im Sperrzustand verbleibt, wodurch der Schaltzu­ stand des Transistors TR3 und des Schalttransistors TR1 ge­ halten werden.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante dargestellt, bei der nur eine Stromüberwachung durchgeführt wird und auf die Im­ pulsüberwachung verzichtet wurde. Der Strom durch die Auslö­ semagnetspule des Schalters S wird wiederum mit einem Strom­ meßwiderstand Rmess erfaßt. Die am Strommeßwiderstand Rmess abgenommene Spannung wird an den Negativeingang eines als Komparator wirkenden Operationsverstärkers OPV4 gelegt. Der Schalttransistor TR1 ist durch den Operationsverstärker OPV4 auf Durchlaß geschaltet. Tritt jedoch ein zu hoher Strom im Spulenstromkreis auf, so wird das Potential am Negativeingang des Operationsverstärkers OPV4 höher als das durch eine mit­ tels des Spannungsteilers R5/R6 eingestellte Referenzspannung an seinem Positiveingang und der Schaltpunkt des Komparators wird erreicht. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OPV4 wird Null und sperrt damit den Schalttransistor TR1. Der Strom im überwachten Spulenstromkreis wird unterbrochen. Dar­ auf kann sich der Kondensator C, der am Negativeingang des Operationsverstärkers OPV4 liegt, über einen Entladewider­ stand R7 entladen. Das Potential am Negativeingang des Opera­ tionsverstärkers OPV4 sinkt darauf, so daß wiederum der Schaltpunkt des Komparators erreicht wird und dieser in sei­ nen ersten Zustand zurückkippt. Der Schalttransistor TR1 wird­ damit wieder angesteuert und schaltet, sofern immer noch eine Betriebs-Wechselspannung an der Gleichrichterbrücke GR an­ liegt, wieder einen Strom auf die Auslösemagnetspule des Schalters S. Fließt immer noch ein ungewollt hoher Spulen­ strom, so wiederholt sich der Vorgang.

Claims (8)

1. Verfahren zum Schutz von Auslösemagneten mit einem Anker und einer Magnetspule, deren Spulenstrom nach erfolgter Aus­ lösung durch Ansteuerung eines elektronischen Schalters un­ terbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulen­ strom gemessen und der elektronische Schalter bei Erkennen eines negativen Stromimpulses oder bei Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes auf "Sperren" gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrzustand des elektronischen Schalters nach Erken­ nen eines negativen Stromimpulses und/oder nach Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes mindestens bis zum erkann­ ten Auslösen des Auslösemagneten periodisch wieder aufgehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrzustand des elektronischen Sehalters nach Erken­ nen eines negativen Stromimpulses und/oder nach Überschreiten eines voreingestellten Stromwertes dauerhaft aufrechterhalten wird.

4. Schaltungsanordnung zum Schutz von Auslösemagneten mit­ einem Anker und einer Magnetspule, zu der ein elektronischer Schalter (TR1) in Reihe geschaltet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Spulenstromkreis ein Strommeßwi­ derstand (Rmess) geschaltet ist, dessen Spannung an den Ana­ logeingang eines Mikroprozessors (µP) geführt ist, der nach Erkennen eines signifikanten Stromabfalls oder eines negati­ ven Stromimpulses die Ansteuerung des elektronischen Schal­ ters (TR1) unterbricht.

5. Schaltungsanordnung zum Schutz von Auslösemagneten mit einem Anker und einer Magnetspule, zu der ein elektronischer Schalter (TR1) in Reihe geschaltet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in den Spülenstromkreis ein Strommeßwi­ derstand (Rmess) geschaltet ist, dessen Spannung an einen Komparator (OPV2, OPV4) geführt ist, mit dessen Ausgangs­ signal der elektronische Schalter (TR1) auf "Sperren" steuer­ bar ist.

6. Schaltungsanordnung zum Schutz von Auslösemagneten mit einem Anker und einer Magnetspule, zu der ein elektronischer Schalter (TR1) in Reihe geschaltet ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Spulenstromkreis eine Diode (D1) geschaltet ist, deren über ihren Anschlüssen abgegriffene Spannung an ein Schaltglied (OPV3, TR2) geführt ist, mit des­ sen Ausgangssignal der elektronische Schalter (TR1) auf "Sperren" steuerbar ist, wenn die Spannung einen Schwellwert überschreitet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Komparator (OPV4) mit einem Zeitglied so so beschaltet ist, daß der elektronische Schalter (TR1) peri­ odisch auf "Durchlaß" steuerbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (TR1) ein Schalttransistor ist.