DE3028442A1 - Elektronische schaltung zum schnellen anzug und abfall elektromagnetischer bauelemente - Google Patents

Elektronische schaltung zum schnellen anzug und abfall elektromagnetischer bauelemente

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DE3028442A1
DE3028442A1 DE19803028442 DE3028442A DE3028442A1 DE 3028442 A1 DE3028442 A1 DE 3028442A1 DE 19803028442 DE19803028442 DE 19803028442 DE 3028442 A DE3028442 A DE 3028442A DE 3028442 A1 DE3028442 A1 DE 3028442A1
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NEFF WALTER MASCH
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00Magnets
    • H01F7/06Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1805Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1811Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current demagnetising upon switching off, removing residual magnetism

Description

  • Elektronische Schaltung zum schnellen Anzug und
  • Abfall elektromagnetischer B«uelemente Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zum schnellen Anzug und Abfall elektromagnetischer Bauelemente, bei denen das Magnetfeld einer mit Gleichspannung zu erregenden Spule direkt oder mittelbar über einen Anker auf die Lage mechanischer Bauteile einwirkt und die Spule über elektronische Schaltglieder mit einer - deutlich über deren Betriebsspannung liegenden - Versorgungsspnnnung beaufschlagt wird.
  • Zum Stande der Technik gehört es, durch kurzzeitige Erhöhung der Betriebsspannung eine Verkürzung der Stromanstiegszeit (di/dt) zu erreichen und durch eine entsprechende Dauer der Spannungserhöhung auch eine entsprechend erhöhte Erregung eines Magneten zu erzielen. Damit nird auch dessen Drehmoment beziehungsweise dessen Kraft erhönt beziehungsweise wird damit die Anzugszeit verkürzt. Um eine Zerstörung der Wicklung durch Überhitzung zu vermeiden, darf die Überregung jedoch nur kurze Zeit, und zwar im allgemeinen nur solange dauern, wie dies für die Funktion innerhalb der verkürzten Anzugszeit erforderlich ist. Das heißt, daß nach dem Durchziehen des Magneten der Strom auf einen für die jeweilige relative Einschaltdauer zulässigen Wert herabgesetzt werden muß. Dies wird bei bekannten Schaltungen durch einen zur Spule über eine Diode parallel geschalteten Kondensator in Verbindung mit einem Vorwiderstand erreicht oder durch einen Vorwiderstand, der nach Durchziehen des Magneten zugeschaltet wird. Eine weitere Möglichkeit, einen schnellen Anzug derartiger elektromagnetischer Bauelemente zu erreichen, besteht im Einsatz einer periodischen Schwingzngspaketsteuerung, bei der eine getriggerte Gleichspannung so auf die Spule des Elektromagneten einwirkt, daß sich ein schneller Stromanstieg einstellt, dem sodann eine spannungslose Pause bis zur nächsten Spannungserhöhung folgt. Innerhalb der Pause läuft der Strom über ein Überbrückungsglied, im allgemeinen eine zur Spule parallel geschaltete Diode, die ein Abfallen des Magneten verhindert.
  • Diese periodische Schwingungspaketsteuerung, die im allgemeinen mit der Netzfrequenz arbeitet, ist jedoch für eine Schnellschaltung nur bedingt geeignet. Im ungünstigen Falle kann beim Einschalten einer derartigen Steuerung von vornherein eine Totzeit von fast 10 ms entstehen.
  • Diese bekannten Maßnahmen zum schnellen Ansprechen elektromagnetischer Bauelemente wirken nicht auf die Abfallzeit dieser Bauelemente ein. Teilweise werden durch diese Maßnahmen -beispielsweise bei dem Freilaufkreis über eine Diode - sogar die Abfallzeiten nocht deutlich verlängert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, bei der sowohl die Anzug- wie auch die Abfallzeiten elektromagnetischer Bauelemente gegenüber den herkömmlichen Schaltungen deutlich verkürzt werden können, wobei diese Schaltung wirtschaftlich und mit üblichen elektrischen/elektronischen Schaltmitteln herstellbar sein soll. Erreicht wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß die elektronischen Schaltglieder beidseits der Spule des elektromagnetischen Bauelementes in den Schaltkreis eingefügt sind und zumindest eines der Schaltglieder abhängig vom im Schaltkreis fließenden Strom steuerbar ist, daß dieses steuerbare Schaltglied so ansteuerbar ist, daß es bei Erreichen eines zulässigen oberen Spulenstromes ab- und vor Unterschreiten eines zum Halten des Bauelementes in seiner Betriebslage notwendigen unteren Spulenstromes zuschaltet und der Spule des elektromagnetischen Bauelementes eine in den Schaltpausen des angesteuerten Schaltgliedes wirksame ttberbrückung parallelgeschaltet ist und daß die Spule des elektromagnetlschen Bauelementes über gegenüber der Betriebsspannung sperrende Dioden mit der Stromversorgung verbunden ist.
  • Die Erfindung macht sich auch die zur Verkürzung der Anzugszeit bekannte Versorgung der Spule der elektromagnetischen Bauelemente mit einer Erhöhung der Erregungsspannung zunutze, wobei jedoch nach Anzug des Magneten die Spannung nicht durch einen Vorwiderstand herabgesetzt oder lediglich getriggert wird, sondern wobei diese erhöhte Spannung so geschaltet wird, daß der für die Erwärmung der Spule und damit für deren Belastung maßgebende Strom innerhalb einer bestimmten zulässigen Grenze verbleibt. Damit ist es, da die elektronischen Schaltglieder sehr schnell ab- und zuschalten können, möglich, eine verhältnismaßig hohe Versorgungsspannung für die Spule des elektromagnetischen Bauelementes einzusetzen, die durchaus in der Größenordnung des 10- bis 15-fachen der normalen Spannung liegen kann. Damit ergeben sich selbstverständlich extrem niedrige Anzugs zeiten, da sich das Magnetfeld der Spule sehr schnell aufbauen und damit ebenso schnell den Anker des Magneten betätigen kann. Trotzdem ist dafür gesorgt, daß eine Überlastung der Spule ausgeschlossen ist, da der für diese Überlastung maßgebende Spulenstrom auf einen oberen ert begrenzt ist. Darüberhinaus kann, um das durch die konstruktiven Gegebenheiten des Magneten maximal mögliche Magnetfeld auszunutzen, beim Einschalten des Systems ein mehrfaches (zum Beispiel zweifach oder dreiuc) des Nennstromes als Stromsollwert vorgeschrieben werden. Die Zeitdauer dieser Stromüberhöhung kann dabei dem i;ianetsystem durch ein RO-Glied angepaßt werden (zum Beispiel 3 ms lang). Thermisch ergeben sich durch diese einmalige Stromüberhöhung beim Einschalten keine Probleme, da nach dem Einschalten der Mittelwert des Stromes deutlich unter dem Nennstrom liegen kann.
  • Nach Erreichen dieses oberen Stromwertes schaltet zumindest eines der elektronischen Schaltglieder ab, so daß der Strom nunmehr nach einer e-Funktion über die Überbrückung abklingt.
  • Nach Erreichen eines unteren Schwellenwertes wird die Versorgungsspannung wieder zugeschaltet, so daß das Spiel von neuem beginnen kann. Die Überbrückung kann über einen Schalttransistor, der überlappend im Gegentakt zu dem ansteuerbaren Schaltglied liegt, geschaltet werden. Zweckmäßigerweise jedoch wird in di e die Überbrückungsechleife eine gegenüber der Versorgungsspannung sperrende Diode gelegt, die mit dem zweiten nicht angesteuerten Schaltglied verbunden ist. Da in diesem Schaltkreis, vor dem nicht angesteuerten Schaltglied die Strommessung stattfindet, kann auch gleich der untere Schwellenwert des Stromes festgestellt und zum Zuschalten des angesteuerten Schaltgliedes verwendet werden. Da dieses Schaltglied erst bei der endgültigen Abschaltung wieder abschalten muß, kann hierfür zweckmäßigerweise ein Thyristor eingesetzt werden, wobei dann der Spule des elektromagnetischen Bauelementes eine aus einem elektronischen Schalter und einem Kondensator bestehende Löschschaltung parallel zu schalten ist.
  • Ist durch diese erfindungsgemäße Maßnahme schon eine äußerst kurze Anzugszeit des elektromagnetischen Bauelementes erreicht, wobei trotzdem dafür gesorgt ist, daß eine Überlastung der Spule dieses Bauelementes nicht erfolgen kann, so ergibt sich auch durch die weitere Ausbildung des Schaltkreises eine sehr kurze Abfallzeit. Bei der endgültigen Abschaltung des angesteuerten Schaltgliedes wird gleichzeitig der elektronische Schalter der Löschschaltung, der ebenfall zweckmäßigerweise aus einem Thyristor besteht, zugeschaltet, so daß nunmehr, da zu dieser Löschschaltung die höchste Potentialdifferenz durch den aufgeladenen Kondensator besteht, der Freilaufstrom über diese Löschschaltung läuft. Hierdurch wird der Kondensator umgeladen, wonach der Freilaufetrom nun seinen Weg über die beiden, die Betriebsspannung sperrenden Dioden zu den Polen der Stromversorgung findet, also gegen die Betriebsspannung aufläuft. Hierbei kann ein zwischen die Pole der Stromversorgung eingefügter Kondensator aufgeladen werden, wodurch dieser restliche Strom und damit auch das Magnetfeld der Spule sehr schnell abklingt. Damit wird die maximal mögliche Spannungsbeanspruchung ausschließlich von der praktisch konstanten Spannung des Stromversorgungs-Kondensators bestimmt. Damit aber wiederum ist auch Gewähr dafür gegeben, daß die gegenüber Spannung empfindlichen elektronischen Bauglieder nicht überbeansprucht werden, beziehungsweise daß keine Spannungsreserve bei diesen elektronischen Bauelementen vorgesehen werden muß.
  • Dies ist ein bedeutender wirtschaftlicher Faktor, da derartige, spannungsmäßig hoch beanspruchbare, Bauelemente äußerst teuer sind.
  • Die Erfindung soll anhand des beigefügten Schaltschemas erläutert werden. Ein elektromagnetisches Bauelement S1 mit einer bestimmten Dauer-Spulenspannung wird über ein Stromversorgungsgerät 5 mit einer deutlich über dieser Spulenspannung liegenden Gleichspannung Uv gespeist. Der Schaltkreis wird dabei gebildet durch eine Sckmelzsicherng ei, einen Shunt f1, einen Thyristor n1, das ele tromagr.etische Bauelement S1 und einen Schalttransistor n3. Zwischen die Anschlußklemmen des Stromversorgungsgerätes 5 ist ein Kondensator K1 eingefügt.
  • Zum Einschalten des elektroL0:netischen Bauelementes S1 wird sowohl der Schalttransistor n3, wie auch der Thyristor n1 angesteuert, so daß beide Scliaitglieder leitend werden. Hierdurch erhält die Spule des B uelementes S1 die Gleichspannung Uv, wodurch das elektromagnetische Bauelement sehr schnell anzieht. Hat der über den Shunt f1 gemessene Strom eine bestimmte zulässige obere Schivelle erreicht, wird der Schalttransistor n3 abgeschaltet, wodurch nunmehr die Induktivität der Spule des elektromagnetischen Bauelementes S1 den Strom durch einen Freilaufkreis treibt, der aus einer Diode n5, der Schmelzsicherung e1, dem Shunt f1 und dem Thyristor n1 besteht. Vor Unterschreiten eines zum Halten des Bauelementes in seiner Betriebslage notwendigen unteren Spulenstromes, der ebenfalls durch den Shunt fl gemessen wird, wird der Schalttransistor n3 wieder geschaltet, so daß der Strom wieder sehr schnell seinen höchstzulässigen Wert erreicht. Danach schaltet der Schalttransistor n3 wieder ab und das Spiel beginnt von neuem. Hervorzuheben ist, daß der Strom während des Betriebes des elektromagnetischen Bauelementes durch den Freilaufkreis nur sehr langsam abklingt, so daß sich damit, in Verbindung mit der hohen Versorgungsspannung, ein sehr günstiges Ein-/Ausschaltverhältnis des Schalttransistors n3 ergibt.
  • Bei der endgültigen Ausschaltung des elektromagnetischen Bauelementes S1 wurde der Freilauf über S1 - n5 - el - f1 - n1 -S1 eine sehr erhebliche Abfallverzögerung erbringen. Dieser Freilaufkreis muß daher bei einem endgültigen Abschalten des elektromagnetischen Bauelementes unterdrückt werden, was dadurch geschieht, daß gleichzeitig mit dem Ausschaltbefehl für den Schalttransistor n3 die Einschaltung eines Lösch-Thyristors n2 erfolgt. Da in die Löschschaltung ein Kondensator K2 eingefügt ist, und dieser Kondensator durch Widerstände rl und r2 mit der der Versorgungsspannung entsprechenden Polarität aufgeladen wurde, geht nunmehr der FreilauEst:-om den Weg der höchsten Potentialdifferenz, also über den Lösch-Thyristor n? zu diesem Kondensator K2. Da die vorherige Freilaufschleife S1 - n5 - e1 - f1 - nl - S1 nun stromlos ist, erlischt auch der Thyristor nl. Nach Umladung des Kondensators K2 läuft nun der Freilaufstrom über die Diode n5 und eine weitere Diode n4 af die Klemmen der Versorgungsspannung beziehungsweise des dort befindlichen Kondensators auf, die in der Induktivität der Spule des elektromagnetischen Bauelementes 51 gespeicherte Energie wird also in die Stromversorgung zurückgegeben. Damit wird jedoch auch ein sehr schneller Abbau dieses Stromes und damit auch ein entsprechend schnelles Abschalten des elektromagnetischn Baelementes erreicht.
  • Festzuhalten ist, daß diese Schaltung auch sehr betriebssicher ist, da bei Störungen in der Ansteuerung oder bei leitend defektem Schalttransistor n3 der Strom sehr schnell ansteigt und im Millisekundenbereich (ca. 10 ms) die vorgeschaltete Sicherung el abschmilzt. Es können damit aufwendige Überwachungseinrichtungen entfallen.
  • Die gezeigte Schaltung zeigt lediglich ein elektromagnetisches Bauelement mit den zugehörigen Schaltgliedern. Selbstverständlich können mehrere derartige Bauelemente mit ihren Schaltgliedern einer einzigen Stromversorgung parallel zugeschaltet werden.
  • Insgesamt ergibt sich durch die Schaltung nach der Erfindung eine Möglichkeit, elektromagnetische Bauelemente sehr schnell zu betätigen, bei sowohl sehr schnellem Anzug als auch sehr schnellem Abfall. Weiter ist festzuhalten, daß bei dieser Schaltung keine unkontrollierbaren Überspannungen entstehen und daß damit auch der Einsatz kommerzieller, preiswerter Schaltelemente möglich ist, beziehungsweise daß keine Sonder-Schaltelemente zur Darstellung der Schaltung benötigt werden.
  • Die Schaltung ist damit insgesamt auch sehr wirtschaftlich realisierbar.
  • Leerseite

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE 5. Elektronische Schaltung zum schnellen Anzug und Abfall elektromagnetischer Bauelemente, bei denen das Magnetfeld einer mit Gleichsparmung zu erregenden Spule direkt oder mittelbar über einen Anker auf die Lage mechanischer Bauteile einwirkt und die Spule über elektronische Schaltglieder mit einer - deutlich über deren Betriebsspannung liegenden - Versorgungsspannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schaltglieder (ni, n3) beidseits der Spule des elektromagnetischen Bauelementes (S1) in den Schaltkreis eingefügt sind und zumindest eines der Schaltglieder (n3) abhängig vom im Schaltkreis fließenden Strom steuerbar ist, daß dieses steuerbare Schaltglied (n3) so ansteuerbar ist, daß es bei Erreichen eines zulässigen oberen Spulenstromes ab- und vor Unterschreiten eines zum Halten des Bauelementes (Si) in seiner Betriebelage notwendigen unteren Spulenstromes zuschaltet und der Spule des elektromagnetischen Bauelementes (Si) eine in den Schaltpausen des angesteuerten Schaltgliedes (n3) wirksame Überbrückung parallelgeschaltet ist und daß die Spule des elektromagnetischen Bauelementes (Si) über gegenüber der Betriebespannung (UO) sperrende Dioden (n4, n5) mit der Stromversorgung (5) verbunden ist.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das über den im Schaltkreis fließenden Strom ansteuerbare Schaltglied (n3) ein Schalttransistor und das zweite Schaltglied (n1) ein Thyristor ist und daß der Spule des elektromagnetischen Bauelementes (S1) eine aus einem elektronischen Schalter (n2) und einem Kondensator (K2) bestehende Löschschaltung parallelgeschaltet ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung gebildet ist aus einer gegenüber der Betriebsspannung (Uo) sperrenden Diode (n5), die mit dem zweiten, nicht angesteuerten Schaltglied (ni) verbunden ist.
  4. 4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter der Löschschaltung ein Thyristor (n2) ist.
  5. 5. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgungsausgang mit einem Kondensator (K1) überbrückt ist.
  6. 6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektromagnetische Bauelemente (ski) mit ihren zugehörigen Elektronikgliedern parallel an eine gemeinsame Stromversorgung (5) geschaltet sind.
DE19803028442 1980-07-26 1980-07-26 Elektronische schaltung zum schnellen anzug und abfall elektromagnetischer bauelemente Withdrawn DE3028442A1 (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4470095A (en) * 1981-03-27 1984-09-04 Siemens Aktiengesellschaft Coil excitation arrangement for producing a pulse-shaped field of constant intensity

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4470095A (en) * 1981-03-27 1984-09-04 Siemens Aktiengesellschaft Coil excitation arrangement for producing a pulse-shaped field of constant intensity

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