DE4219834A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schalters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Schalters an einem Wechselstromnetz.

Beim Ein- und Ausschalten elektromagnetischer Schalter (Relais, Schütz) können durch sich ändernde Ankeranzugskräfte Unterschiede bezüglich der Kontaktgabe auftreten. Insbesondere tritt dabei häufig ein Kontaktprellen auf, das zu einem erhöhten Kontaktverschleiß und auch zu einer Verzögerung der Kontaktgabe führt.

Wünschenswert ist es, wenn bei einzuschaltenden ohmschen Verbrauchern die Schützkontakte im Nulldurchgang der Netzwechselspannung schließen und dabei wenig prellen würden. Dabei wären sie vor Abbrand weitgehend geschützt und hätten eine größere Lebensdauer. Durch die zur Netzspannungsphasen­ lage nicht synchronisierte Bestromung der Schützmagnetspule ist dies jedoch nicht gewährleistet. Schütze oder dergleichen magnetische Schalter schließen somit zu unterschiedlichen Zeitpunkten bezüglich der Phasenlage der Netzspannung und mit Prellzeiten von zum Beispiel 2 bis 15 Millisekunden.

In der Praxis werden die Schütze durch Überdimensionieren der Schaltkontaktstücke gegen Prellen unempfindlich gemacht.

Zur Reduzierung der Kontaktbelastung ist es bereits bekannt, parallel zu den Kontakten elektronische Halbleiterschalter anzuordnen, die während des Ein- und Ausschaltvorganges den Laststrom übernehmen und dabei jeweils im Nulldurchgang schließen beziehungsweise öffnen.

Diese, auf der Leistungsseite eingesetzten Halbleiterschalter müssen entsprechend dem fließenden Laststrom dimensioniert sein, was bei Lastströmen von zum Beispiel mehreren 100 Ampere einen erheblichen Aufwand verursacht.

Es sind auch schon gesteuerte Schütze bekannt, bei denen der durch die Magnetspule fließende Strom in Abhängigkeit von der Betriebsstellung - abgefallen oder angezogen - des Schützes verändert werden kann, unter anderem, um ein Prellen der Kontakte zu reduzieren. Der Zeitpunkt der tatsächlichen Kontaktgabe läßt sich damit in Bezug auf die Nulldurchgänge der Wechselspannung jedoch nicht vorgeben.

Zum Ein- und Ausschalten im Nulldurchgang der Netzwechsel­ spannung sind auch bereits sogenannte Halbleiterrelais bekannt, die bei vertretbarem Aufwand jedoch nur für ver­ gleichsweise geringe Leistungen einsetzbar sind. Trotzdem ist auch hierbei noch ein erhöhter Aufwand gegenüber üblichen elektromagnetischen Schaltern beziehungsweise Schützen vor­ handen. Außerdem ist eine Potentialtrennung bei solchen Halb­ leiterrelais in der Regel nicht vorhanden. Schließlich sind Halbleiterrelais gegen kurzzeitige Überstrombelastungen em­ pfindlich, wobei der Überlastfaktor üblicherweise bei 10 liegt, während Schütze bis zum hundertfachen Nennstrom über­ lastet werden dürfen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit elektromagnetische Schal­ ter - Relais, Schütze - zumindest prellarm und verschleiß­ mindernd geschaltet werden können, wobei gegebenenfalls sich während des Betriebes ändernde Betriebsparameter berück­ sichtigt werden sollen. Das Schließen und gegebenenfalls das Öffnen der Kontakte soll dabei für ohmsche Lasten jeweils im Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchganges der Netzwechselspannung erfolgen. Schließlich sollte der erforderliche Aufwand gering sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Wechselspannung des Wechselstromnetzes bezüglich ihrer Amplitude und ihrer Nulldurchgänge zum Zeitpunkt des Ein­ schaltens des elektromagnetischen Schalters erfaßt wird, daß zumindest in einer Einstellphase der Stromverlauf durch die Magnetspule des elektromagnetischen Schalters im Bereich des Ankerrückwirkungsknicks zumindest bezüglich seiner Steigungs­ änderung gemessen und der Einschaltzeitpunkt im Sinne einer Minimierung der Strom-Steigungsänderung variiert und der passende Einschaltzeitpunkt gespeichert wird.

Bei diesem Verfahren wird eine Auswertung des durch die Ankerrückwirkung beeinflußten Stromverlaufes vorgenommen. Der sogenannte Ankerstromrückwirkungsknick wird hierbei hinsicht­ lich seines Kurvenverlaufs bewertet, wobei insbesondere die Steigungsänderung als Kenngröße dient.

Die auftretenden Steigungsänderungen geben dabei Aufschluß über die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers und der Kontakte. Eine hohe Auftreffgeschwindigkeit ergibt einen scharfen Ankerstromrückwirkungsknick mit großer Steigungsänderung, während bei geringer beziehungsweise passender Auftreffgeschwindigkeit der Ankerstromrückwirkungsknick wesentlich flacher mit geringerer Steigungsänderung aus­ gebildet ist.

Durch Verändern des Einschaltzeitpunktes kann die Anker-Anzugsenergie unter Berücksichtigung des Netzspannungs­ verlaufes passend dosiert werden.

Praktische Versuche haben gezeigt, daß dabei auch der Schließzeitpunkt in erwünschter Weise zumindest nahe dem Nulldurchgang der Netzwechselspannung liegt. Der Ankerstrom­ rückwirkungsknick beginnt nämlich nach der Kontaktgabe, da ab diesem Zeitpunkt die Bewegung des Ankers abgebremst wird.

Ist in einer Einstellphase für den jeweils angeschlossenen elektromagnetischen Schalter der passende Einschaltzeitpunkt relativ zur Phasenlage der Netzwechselspannung ermittelt, kann dieser Einschaltzeitpunkt abgespeichert werden und steht dann in der Betriebsphase für eine praktisch prellfreie und im Nulldurchgang erfolgende Kontaktgabe des Schütz es oder dergleichen zur Verfügung.

Zweckmäßig ist es, wenn bei der Messung des Stromverlaufes durch die Magnetspule nach dem Einschalten die Anzahl der auftretenden Ankerstromrückwirkungsknicke erfaßt wird. Dadurch steht noch eine zusätzliche Auswertegröße zur Verfügung, an der besonders deutlich erkannt werden kann, ob und in welchem Maße die Kontakte prellen.

Eine weitere Möglichkeit zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht darin, daß zumindest in einer Einstellphase der Schließzeitpunkt der Kontakte des elektromagnetischen Schalters in Bezug auf die Nulldurchgänge der Netz-Wechsel­ spannung beziehungsweise deren Phasenlage gemessen wird und der Einschaltzeitpunkt im Sinne einer Minimierung des zeit­ lichen Abstandes zwischen Kontaktschließzeitpunkt und Spannungs-Nulldurchgang verändert und der passende Einschalt­ zeitpunkt gespeichert wird.

Hierbei wird direkt an den Kontakten, vorzugsweise einem Hauptkontakt eines Schütz es oder dergleichen der Schließzeit­ punkt der Kontakte relativ zur Phasenlage der Netzspannung gemessen und es kann dann der Einschaltzeitpunkt verändert werden, bis die Kontaktgabe im Nulldurchgang und mit kürzester Prellzeit erfolgt. Auch hierbei wird in der Einstellphase der ermittelte, passende Einschaltzeitpunkt gespeichert, so daß er in der Betriebsphase beim Einschalten des Schützes oder dergleichen zur Verfügung steht.

Zweckmäßig ist es, wenn während der Einstellphase die Messun­ gen der Strom-Steigungsänderung im Bereich des Ankerstrom­ rückwirkungsknicks und/oder die Messung des Schließzeitpunktes der Kontakte des elektromagnetischen Schalters bei verschie­ denen Netz-Wechselspannungen vorgenommen wird und wenn zumin­ dest die zu etwa im Nulldurchgang liegenden Kontakt-Schließ­ zeitpunkten passenden Einschaltzeitpunkte mit zugehörigen Be­ triebsparametern als Referenzwerte abgespeichert werden.

Für die Betriebsphase stehen dadurch mehrere Parametersätze zur Verfügung, von denen der zu den jeweils vorhandenen Betriebsparametern passende für den Einschaltvorgang verwendet wird. Somit kann eine Anpassung an eine sich ändernde Netz­ spannung und dergleichen automatisch erfolgen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß in der Betriebsphase der Stromverlauf beim Einschalten des elektromagnetischen Schalters bezüglich seiner Steigungs­ änderung und/oder bezüglich der Anzahl der Ankerstromrückwir­ kungsknicke und/oder der Zeitpunkt der Kontaktgabe überwacht und bei Überschreiten von vorgebbaren Grenzwerten der Ein­ schaltzeitpunkt verändert und gegebenenfalls abgespeichert wird.

Es besteht somit eine Nachregulierbarkeit, durch die Schwankungen der die Schütz-Anzugszeit beeinflussenden Para­ metern wie Netzspannung, Einbaulage des Schützes, Kontaktver­ schleiß, Temperaturänderungen und so weiter ausgeglichen wer­ den können und die Kontaktgabe im zeitlich genau vorgegebenen Bereich erfolgt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur An­ steuerung eines an einem Wechselstromnetz betriebenen, elek­ tromagnetischen Schalters. Diese Vorrichtung ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Strommeßeinrichtung für den durch die Magnetspule des elektromagnetischen Schalters fließenden Strom und/oder eine Meßeinrichtung für den Schließzeitpunkt der Kontakte des elektromagnetischen Schalters und darüber­ hinaus Meßeinrichtungen für die Netzspannungsnulldurchgänge sowie die Netzspannungsamplitude aufweist, und daß eine mit den Meßeinrichtungen verbundene Auswerteeinrichtung und dergleichen zur Bestimmung eines Einschaltzeitpunktes des elektromagnetischen Schalters zum Schließen seiner Kontakte im Bereich des Nulldurchganges der Netzwechselspannung sowie einen Speicher zum Speichern zumindest von Kontakt-Schließzeitpunkten im Spannungsnulldurchgang passend zugeordneten Einschaltzeitpunkten bei jeweils vorgegebenen, unterschiedlichen Betriebsparametern vorgesehen sind.

Eine solche Vorrichtung läßt sich mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren. Sie ermöglicht einen Einsatz in Verbin­ dung mit vorhandenen elektromagnetischen Schaltern, die dadurch, wie schon anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, eine wesentlich höhere Lebensdauer haben. Es besteht somit wegen der geringeren Kontaktbelastung auch die Möglichkeit, die elektromagnetischen Schalter selbst kleiner und somit kostengünstiger zu dimensionieren.

Wird in der Einstellphase sowohl von der Messung des Strom­ verlaufes im Bereich des Ankerstromrückwirkungsknicks als auch von der Messung des Kontakt-Schließzeitpunktes Gebrauch gemacht, kann einem Kontakt-Schließzeitpunkt im Spannungs­ nulldurchgang auf einfache Weise der dazugehörige Stromverlauf während der Anzugsphase zugeordnet und abgespeichert werden. Später in der Betriebsphase ist dann für eine exakte Kontrolle des Schließzeitpunktes keine Messung mehr direkt an den Kon­ takten erforderlich, da der zugehörige Stromverlauf als Referenz zur Verfügung steht. Für die Praxis ist dies von besonderem Vorteil.

Zweckmäßigerweise sind die Auswerteeinrichtung, der Speicher, die Meßeinrichtungen sowie eine Ablaufsteuerung in einem Mikrocontroller integriert.

Durch diese Integration der wesentlichen Baugruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Mikrocontroller redu­ ziert sich der Bauteileaufwand ganz erheblich. Dadurch ist unter anderem auch die Fertigung wesentlich vereinfacht und es lassen sich so die Herstellungskosten weiter reduzieren.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1. ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in stark schematisierter Form,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 detailliertere Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 bis 5 Diagrammgruppen mit Darstellung der Netzwechselspannung, der Kontaktschließzeit sowie des Stromverlaufes durch die Magnetspule und

Fig. 6 ein Diagramm mit Darstellung der Anzugszeit des elektromagnetischen Schalters in Abhängigkeit von der Netzspannungshöhe und dem Einschaltzeitpunkt.

Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zum "phasenrichtigen" Einschalten eines elektromagnetischen Schalters 2, im weiteren Verlauf der Beschreibung auch kurz: "Schütz 2" genannt, an ein Wechselstromnetz mit den Leitern L und N. Insbesondere läßt sich damit bei einer ohmschen Last das Schütz zu einem Zeitpunkt bestromen, bei dem unter Berücksichtigung der Schützanzugszeit die Schützkontakte 3 im Nulldurchgang der Netzwechselspannung schließen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 eine Strommeßeinrichtung 4 für den durch die Magnetspule 5 des Schützes fließenden Strom, eine Meßeinrichtung 6 für die Netzspannungsnulldurchgänge und eine Meßeinrichtung 7 für die Netzspannungsamplitude auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist außerdem noch eine Meßeinrichtung 8 für den Schließ­ zeitpunkt der Kontakte des Schützes vorgesehen. Die vorge­ nannten Meßeinrichtungen 4, 6 bis 8 sind an eine Ablauf­ steuerung 9 angeschlossen.

Die Magnetspule 5 des Schütz es ist in Reihe mit einem Halb­ leiter-Wechselstromschalter 10 sowie einem Strommeßwiderstand 11 geschaltet.

Mit Hilfe der Vorrichtung 1 kann anhand des Spulen­ stromverlaufes und/oder anhand des tatsächlichen Kontakt-Schließzeitpunktes, der für ein Schließen der Kontakte im Nulldurchgang der Netzwechselspannung passende Einschalt­ zeitpunkt bestimmt werden. Die zeitliche Differenz zwischen Einschaltzeitpunkt und dem Schließen der Schützkontakte 3 ist außer von der Konstruktion des Schütz es auch von der Höhe der Wechselspannung und auch von dem Zeitpunkt des Einschaltens in Bezug auf die Phasenlage der Wechselspannung abhängig.

Die Abhängigkeit der Anzugszeit von der Netzspannungsamplitude und von deren Phasenlage ist in Fig. 6 wiedergegeben. Deutlich ist hier zu erkennen, daß bei Einschaltzeitpunkten im Bereich der Nulldurchgänge treppenartige Absätze im Kurvenverlauf vorhanden sind, bei denen eine vergleichsweise hohe Abhängig­ keit beziehungsweise Änderung der Anzugszeit von der Phasen­ lage vorhanden ist.

Die vorgenannten Einflußfaktoren müssen berücksichtigt werden, um einen passenden Einschaltzeitpunkt zum Schließen der Kon­ takte im Nulldurchgang zu erreichen.

Erfindungsgemäß kann dies auf zweierlei Weise erreicht werden, wobei beide Lösungen für sich alleine oder aber in Kombination einsetzbar sind.

Das eine erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß der Strom­ verlauf durch die Magnetspule 5 im Bereich des sogenannten Ankerstromrückwirkungsknicks bezüglich dessen Verlauf und auch bezüglich dessen Lage relativ zur Phasenlage der Wechsel­ spannung überprüft wird. Der Ankerstromrückwirkungsknick beginnt nach der Kontaktgabe, so daß aus der Lage des Strom­ knicks auf den Schließzeitpunkt der Kontakte 3 geschlossen werden kann. Weiterhin wird die Steigungsänderung im Bereich des Ankerstromrückwirkungsknicks überprüft, wobei für ein optimales, weitgehend prellfreies Schließen der Kontakte eine möglichst geringe Steigerungsänderung vorhanden sein soll. Auch die Anzahl der auftretenden Stromknicke wird zur Beur­ teilung des richtigen Einschaltzeitpunktes berücksichtigt.

Bei dem zweiten, erfindungsgemäßen Verfahren wird direkt an den Kontakten 3 der Kontakt-Schließzeitpunkt gemessen und der Einschaltzeitpunkt dann so verändert, daß der Schließzeitpunkt mit einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung zusammenfällt.

Bevorzugt ist vorgesehen, daß während einer Einstellphase, also bevor das Schütz in Betrieb genommen wird, sowohl eine Messung des Stromverlaufes im Bereich des Ankerrückwirkungs­ knicks als auch eine direkte Messung des Schließzeitpunktes der Kontakte vorgenommen wird. Die ermittelten Einschaltzeit­ punkte in Bezug auf die Phasenlage der Netzwechselspannung werden bei unterschiedlichen Netzspannungen ermittelt und zu­ mindest die passenden Einschaltzeitpunkte abgespeichert. Da beim späteren Betrieb des Schützes ein direkter Zugriff zu den Kontakten 3 nicht immer möglich beziehungsweise auch nicht erwünscht ist, wird in der Betriebsphase bevorzugt die Über­ wachung und Messung auf den Stromverlauf im Bereich des Ankerrückwirkungsknicks beschränkt.

Jeweils in der dritten Diagrammzeile der Fig. 3 bis 5 sind die Stromverläufe bei unterschiedlichen Einschaltzeitpunkten dargestellt. Deutlich sind hierbei die unterschiedlichen Stromverläufe bei veränderten Einschaltzeitpunkten erkennbar.

In der ersten Diagrammzeile ist jeweils der sinusförmige Verlauf der Netzwechselspannung gezeigt. Nach einer Perioden­ länge soll jeweils beim Nulldurchgang 12 die Kontaktgabe erfolgen. Gemäß Fig. 3 wird kurz nach Beginn der ersten negativen Halbwelle zum Zeitpunkt 13 eingeschaltet und somit die Magnetspule 5 bestromt. Der zugeordnete Stromverlaufist in der dritten Diagrammzeile dargestellt.

Bei dem in Fig. 3 gewählten Einschaltzeitpunkt 13 ergibt sich zwar im Nulldurchgang 12 ein erster Kontaktschluß, die zuge­ führte Anzugsenergie im Anker des Schützes ist hierbei jedoch zu groß, so daß sich ein Prellen der Schützkontakte 3 prak­ tisch über eine dreiviertel Periodenlänge der Netzwechsel­ spannung einstellt. Am Verlauf des Stromes durch die Magnet­ spule 5 ist nach dem ersten Kontaktschluß ein erster Anker­ rückwirkungsknick 14 und mit Abstand dazu vor dem endgültigen Schließen der Kontakte ein weiterer Knick 14a zu erkennen. Dazwischen befindet sich ein vergleichsweise großer Strom­ höcker 15. Dieser Stromverlauf gibt somit Aufschluß einerseits über eine vergleichsweise lange Prellzeit t_P und andererseits auch darüber, daß die zugeführte Anzugsenergie im Anker zu groß war.

Gemäß Fig. 4 wurde der Einschaltzeitpunkt in Bezug auf den Nulldurchgang 12 etwas näher an diesen gelegt und somit die zur Verfügung stehende Anzugsenergie für den Anker reduziert. Hier zeigt sich im Stromverlauf durch die Magnetspule 5, daß nur noch ein Ankerrückwirkungsknick 14 auftritt und daß hier wesentlich weichere Übergänge mit geringeren Strom-Steigungs­ änderungen vorhanden sind. Der Kontaktschluß erfolgt hier beim Nulldurchgang 12 und es ist nur noch eine vergleichsweise kurze Prellzeit t_P vorhanden.

Würde der Einschaltzeitpunkt 13b noch näher an den Nulldurch­ gang 12 verschoben werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, so würde sich eine vergleichsweise lange Anzugszeit t_A ergeben, so daß der Kontaktschluß 16 erst nach dem Nulldurchgang 12 er­ folgt. Auch in diesem Falle wäre eine zu große Anzugsenergie im Anker vorhanden, durch die sich ein hartes Auftreffen der Kontakte mit entsprechendem Kontaktprellen einstellt.

Am Stromverlauf des Magnetspulenstromes ist nach dem ersten Kontaktschluß ein scharfer Ankerrückwirkungsknick 14 erkenn­ bar.

Aus den unterschiedlichen Beispielen gemäß Fig. 3 bis 5 ist entnehmbar, daß anhand des Magnetspulen-Stromverlaufes im Bereich des Ankerrückwirkungsknicks auf den Zeitpunkt der Kontaktgabe und die Prellzeit geschlossen werden kann. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ausgenützt.

Anhand der Fig. 2 wird nachfolgend das Einstellen und Anpassen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 an ein angeschlossenes Schütz vorgenommen.

In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Groß­ teil der in Fig. 1 als einzelne Funktionsblöcke dargestellten Meßeinrichtungen in einem Mikrocontroller 17 integriert.

Bei an die Vorrichtung 1 angeschlossenem Schütz 2 wird zu­ nächst in einer Einstellphase eine Anpassung der Vorrichtung 1 an das jeweils angeschlossene Schütz vorgenommen. In dieser Einstell- oder Lernphase soll das Schließen der Kontakte 3 auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen reproduzierbar im Netzspannungsnulldurchgang bei geringstmöglichem Prellen der Kontakte erfolgen. Unterschiedliche Betriebszustände können durch Netzspannungsschwankungen, Temperaturschwankungen, Lageänderungen des Schützes, Kontaktabbrand und dergleichen bewirkt werden.

Der Mikrocontroller 17 weist sechs digitale Eingänge 18 auf, die zum Erkennen der Netzspannungsnulldurchgänge sowie der Netzspannungspolarität 18I, zum Erkennen des Vorzeichens der gemessenen Schütz-Kontaktspannung 18II, zum Erkennen des Vorzeichens des Schütz-Spulenstromes 18III, zum Erkennen des "Einbefehls" von außen 18IV, weiterhin zum Erkennen des "Lernbetriebs" in der Einstellphase 18V und schließlich zum Erkennen des ersten Kontaktschlusses des Hilfs-Schützkontaktes 3b dienen. Weiterhin weist der Mikrocontroller 17 einen digitalen Ausgang 19 zum Ansteuern des durch einen Triac gebildeten Wechselstromschalters 10 sowie drei analoge Eingänge 20 auf. Der erste Analogeingang 20I dient zur Messung an den Schützkontakten zum Erkennen des Prellens in der Einstellphase, der zweite Analogeingang 20II dient zur Messung des Magnetspulenstromes in der Einstellphase und in der Betriebsphase und der Analogeingang 20III dient zur Messung der positiven Netzspannungshalbwellen in der Einstellphase und in der Betriebsphase.

Während der Erstinbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird diese durch eine Brücke 21 zum Zwecke des Selbstlernens der optimalen Schützansteuerparameter zuerst in eine Einstellphase umgeschaltet. In der Einstellphase werden diejenigen Datensätze bleibend in ein im Mikrocontroller befindliches EEPROM 28 abgespeichert, die zum Schließen der Schützkontakte im Netzspannungsnulldurchgang führen und die darüberhinaus das geringste Schützkontaktprellen erzeugen.

In der Einstellphase wird die Netzspannung zum Beispiel zwischen 190 Volt und 250 Volt in Stufen variiert und der jeweils passende Einschaltzeitpunkt ermittelt.

Zuerst wird mit dem ersten Anlegen des Signales "Schütz ein" über eine Schutzschaltung 26 mit Optokoppler ein Startsignal an den Digitaleingang 18 IV des Mikrocontrollers gegeben. Über den Digitalausgang 19 wird der Triac 10 so gezündet, daß die Schützspule 5 zuerst in einem Nulldurchgang der Netzspannung beginnend bestromt wird.

Der Mikrocontroller 17 registriert nun laufend in Abständen von zum Beispiel 500 Mikrosekunden den Spannungsverlauf des Kontaktschließens. Erfolgt der erste Kontaktschluß in der Nähe eines Nulldurchganges, was der Mikrocontroller 17 an seinem mit einer Synchronisierschaltung 27 verbundenen Digitaleingang 18 I oder dem Analogeingang 20 III feststellt, registriert der Mikrocontroller den Spannungsverlauf des Kontaktschließens zusammen mit der vorherigen maximalen Amplitude der Netzspannung und deren Nulldurchgänge und dem Einschalt­ zeitpunkt beziehungsweise Phasenanschnitt, zusammen mit dem Spulenstromverlauf nach dem ersten Kontaktschluß in seinen Speicher (RAM).

Die Messung der Kontaktgabe erfolgt über einen Widerstands­ teiler 22 und eine Schaltung 23 zur Betrags- und Polaritäts­ bildung. Der Betrag der Meßspannung wird an den Analogeingang 20 I und die Polarität an den Digitaleingang 18 II gegeben.

Der Verlauf des Magnet-Spulenstromes wird an einem Strommeß­ widerstand 11 gemessen und über eine weitere Schaltung 25 zur Betrags- und Polaritätsbildung an den Analogeingang 20 II gegeben.

Erscheint das Signal des ersten Kontaktschlusses nicht in der Nähe des Zeitpunktes eines Netzspannungsnulldurchganges, so wird der registrierte Datensatz verworfen und der Schütz 2 anschließend vom Mikrocontroller 17 wieder ausgeschaltet und anschließend nach kurzer, der Schützabfallzeit entsprechenden Pause wieder erneut eingeschaltet, nun jedoch mit geändertem Einschaltzeitpunkt relativ zur Phasenlage der Wechselspannung, insbesondere mit größerem Phasenanschnitt als zuvor. Die Incremente der Anschnitterhöhung können zum Beispiel 1 Milli­ sekunde betragen.

Gemäß dem Diagramm in Fig. 6 führt dieser Anschnitt zu einer anderen Schützanzugszeit. Der Schützkontakt-Schließzeitpunkt kann sich nun durch den Anschnitt von einem Nulldurchgang der Netzspannung entfernen oder ihm näherkommen. Fällt der Schützkontakt-Schließzeitpunkt in die Nähe eines Nulldurch­ ganges der Netzspannung, so wird der Parametersatz vom Mikro­ controller in dem EEPROM 28 abgespeichert. Das Arbeitsprogramm des Mikrocontrollers ist in einem PROM 29 abgelegt.

Anschließend variiert der Mikrocontroller 17 den Einschalt­ zeitpunkt noch etwas, um die Kontaktgabe zu verbessern, das heißt, exakt auf den Nulldurchgang der Netzwechselspannung zu legen und das geringste Prellen zu erreichen. Dazu wird nun vom Mikrocontroller 17 auch der Verlauf des Stromes durch die Magnetspule 5 des Schützes 2 nach dem ersten Schließen des Schützkontaktes 3 registriert und derart ausgewertet, daß der Einschaltzeitpunkt als optimal angesehen wird, der zu einem möglichst weichen Übergang des Spulenstromes von einer ver­ gleichsweise großen Stromamplitude während der Anzugsbe­ stromung zu einer kleineren Stromamplitude bei geschlossenem Anker führt. Damit ist dann der sogenannte Ankerstromrück­ wirkungsknick am geringsten ausgebildet und die Steigungs­ änderungen der Stromkurve sind ebenfalls am geringsten.

Die mechanische Auftreffenergie des Ankers ist dabei am kleinsten, was zu einem geringen Prellen des Schützkontaktes 3 führt (vergleiche auch Fig. 3 bis 5).

Das Prellen und das zeitlich genaue Schließen des Schütz­ kontaktes 3 wird außerdem durch Messung des Verlaufs der Kontaktspannung von dem Mikrocontroller 17 überwacht. Der beste Parametersatz wird dann endgültig abgespeichert und der Schütz 2 bei der bis dahin gleichgebliebenen ersten Netz­ spannungseinstellung dann nicht mehr weiter zum Anzug gebracht.

Die Netzspannung kann dann auf einen anderen Wert gebracht werden, beispielsweise erhöht werden und der Vorgang des Selbstlernens für diese andere Netzspannung wird dann erneut gestartet. Der Selbsteinschalt- und Lernvorgang läuft dann erneut ab wie zuvor beschrieben.

Die Netzspannungsänderung kann beispielsweise in drei Stufen von zum Beispiel 190 Volt, 220 Volt und 250 Volt vorgenommen werden. Zwischenwerte der Netzspannungshöhe werden vom Mikrocontroller 17 berücksichtigt, indem er die Tabellenwerte der zugehörigen Einschaltzeitpunkte entsprechend interpoliert, da die Anzugszeit von dem Einschaltanschnitt und der Netz­ spannungshöhe abhängt und mit der auf die Schütz-Magnetspule 5 gegebenen Spannungszeitfläche annähernd umgekehrt proportional linear zusammenhängt (vergleiche Fig. 6).

Nach Abschluß der Einstellphase wird die Brücke 21 getrennt und die Vorrichtung ist nun betriebsbereit.

Aus der abgespeicherten Tabelle kann dann selbsttätig in der Betriebsphase für jede Netzspannung der optimale Einschaltzeitpunkt ausgewählt werden.

In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist von dem Schützkontaktsatz noch ein zweiter Kontakt an den Mikrocon­ troller 17 angeschlossen und zwar an den Digitaleingang 18 VI. In der Regel wird hierzu ein Hilfskontakt des Schützes 2 ver­ wendet. In der Einstellphase kann am Schließzeitpunkt des Hilfskontaktes eine eventuelle Abweichung vom Schließzeitpunkt des Hauptkontaktes erkannt und ebenfalls abgespeichert werden. Damit besteht die Möglichkeit, in der späteren Betriebsphase vom Schließzeitpunkt des Hilfskontaktes auf den Schließzeitpunkt des Hauptkontaktes zu schließen.

Falls der Spannungsteiler 22 auch in der Betriebsphase an dem Haupt-Schützkontakt angeschlossen bleiben kann, besteht die Möglichkeit, direkt bei diesem Kontakt ein Wegtrifften des Kontaktschließzeitpunktes vom Netzspannungsnulldurchgang zu erkennen und den abgespeicherten Parametersatz zu korrigieren, wenn eine bestimmte Toleranzgrenze überschritten wird. Ist eine direkte Messung am Hauptkontakt in der Betriebsphase nicht mehr möglich, so besteht die Möglichkeit, den Kontakt­ schließzeitpunkt des Hauptkontaktes indirekt über den noch angeschlossenen Hilfskontakt 3b zu messen, da in der Ein­ stellphase gegebenenfalls vorhandene Schließzeitdifferenzen zwischen Hauptkontakt 3a und Hilfskontakt 3b erfaßt worden waren.

Wird in der Betriebsphase auch der Hilfskontakt 3b anderweitig benötigt, kann über die Überwachung des Stromverlaufes durch die Magnetspule 5 des Schützes 2 im Bereich des Anker­ rückwirkungsknicks eine Kontrolle des Kontakt-Schließzeit­ punktes vorgenommen werden.

Wie bereits vorerwähnt, kann durch die Phasenlage dieses Ankerstromrückwirkungsknicks relativ zu der der Netzwechsel­ spannung auf den Kontakt-Schließzeitpunkt geschlossen werden. Wie gut in den Fig. 3 bis 5 erkennbar, liegt der Anker­ stromrückwirkungsknick 14 nach der ersten Kontaktgabe und aus dem Kurvenverlauf ist erkennbar, ob das Schütz 2 für eine Kontaktgabe etwa im Nulldurchgang und weitestgehend prell­ freies Schalten zum richtigen Zeitpunkt eingeschaltet und bestromt wurde.

In der Einstellphase wurde der optimale Spulenstromverlauf, jeweils zugehörig zu unterschiedlichen Netzspannungen im Mikrocontroller 17 abgespeichert.

Zeigt der Spulenstromverlauf bezüglich des Ankerstromrück­ wirkungsknicks in dessen Lage bezüglich dem Nulldurchgang 12 der Netzspannung und in der Form des Knicks 14 und des Strom­ höckers 15 nach dem Knick Abweichungen vom Sollparameter des abgespeicherten Spulenstromverlaufs über einen bestimmten Toleranzbereich hinaus, so kann der Mikrocontroller durch Variation des Einschaltzeitpunktes beziehungsweise des Spannungsanschnittes beim nächsten Schützeinschalten der Abweichung entgegenwirken und den Istverlauf des Spulenstromes wieder an den Sollverlauf annähern, ohne daß dabei direkt am Schützkontakt 3 gemessen werden muß.

Verschiedene Abweichungen vom Sollverlauf des Spulenstromes beim Ankerrückwirkungsknick sind in Fig. 3 und 5 gezeigt. In Fig. 3 tritt ein zweiter Ankerrückwirkungsknick 14a auf und ein hoher Stromhöcker 15 nach dem ersten Ankerrückwirkungs­ knick, was auf starkes Prellen und eine Kontaktgabe außerhalb des Nulldurchganges der Netzwechselspannung schließen läßt.

Fig. 5 zeigt in der dritten Diagrammzeile einen Spulenstrom­ verlauf mit einem großen Stromhöcker 15 beim Auftreffen der Kontakte und einen harten Übergang mit starker Steigungs­ änderung im Bereich des Ankerrückwirkungsknicks 14. Der Kontaktschluß findet hier erst nach dem Nulldurchgang 12 statt und es tritt auch ein verstärktes Prellen auf.

Nach einer in der Betriebsphase durchgeführten Korrektur des Einschaltzeitpunktes wird der korrigierte Einschaltzeitpunkt beziehungsweise der Anschnittparameter im ursprünglichen, sonst unveränderten Parametersatz erneut abgespeichert. Durch dieses Selbstregulieren und Selbstnachstellen des optimalen Einschaltzeitpunktes kann eine Alterung, zum Beispiel durch Kontaktabbrand erkannt und durch Korrektur des Einschalt­ zeitpunktes ausgeregelt werden.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird in der Einstellphase sowohl von der Überwachung der Schützkontakte 3 als auch von der Überwachung des Stromverlaufes im Bereich des Ankerstrom­ rückwirkungsknicks Gebrauch gemacht. Wahlweise stehen dann in der Betriebsphase unterschiedliche Parameter zur Verfügung, auf die während der Betriebsphase zur Kontrolle des Einschaltzeitpunktes zurückgegriffen werden kann. Dabei besteht die Möglichkeit, alle abgespeicherten Parametersätze mit dem jeweiligen Istwert zu vergleichen oder aber nur auf einen Teil oder nur einen Parametersatz zurückzugreifen. Somit würde es beispielsweise auch genügen, in der Einstellphase den optimalen Stromverlauf durch die Magnetspule 5 des Schützes 2 im Bereich des Ankerstromrückwirkungsknickes abzuspeichern und dann in der Betriebsphase einen Vergleich des Iststromver­ laufes mit diesem abgespeicherten Sollstromverlauf vorzu­ nehmen. In gleicher Weise kann, falls dies in der Betriebs­ phase möglich ist, auch nur direkt an dem oder den Kontakten 3 der Einschaltzeitpunkt gemessen werden. Somit ist die Mög­ lichkeit gegeben, eine Anpassung an unterschiedliche Einsatz­ fälle vorzunehmen.

Beim Schalten von nicht-ohmschen Lasten durch das Schütz 2 kann die Vorrichtung 1 auch so programmiert werden, daß die Kontaktgabe der Schützkontakte 3 nicht im Nulldurchgang der Netzwechselspannung, sondern an einem anderen, für den jeweiligen Lastfall passenden Zeitpunkt der Netzspannungs-Sinuskurve erfolgt.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß die Vorrichtung 1 so programmiert wird, daß beim Ausschalten erst beim nächsten Nulldurchgang die Schützkontakte 3 geöffnet werden, um diese auch beim Ausschalten vor Abbrand zu schützen. In diesem Falle wird als Wechselstromschalter 10 ein ausschaltbarer Halb­ leiterschalter, zum Beispiel ein GTO-Paar verwendet.

Die gesamte Vorrichtung 1 kann als kompaktes Vorschaltgerät ausgebildet sein, welches mit praktisch beliebigen elektromagnetischen Schaltern zusammenarbeiten kann und somit universell einsetzbar ist.

Claims (13)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Schalters an einem Wechselstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung des Wechselstrom­ netzes bezüglich ihrer Amplitude und ihrer Nulldurchgänge zum Zeitpunkt des Einschaltens des elektromagnetischen Schalters (2) erfaßt wird, daß zumindest in einer Ein­ stellphase der Stromverlauf durch die Magnetspule (5) des elektromagnetischen Schalters (2) im Bereich des Anker­ rückwirkungsknicks (14) zumindest bezüglich seiner Stei­ gungsänderung (di/dt) gemessen und der Einschaltzeitpunkt im Sinne einer Minimierung der Stromsteigungsänderung variiert und der passende Einschaltzeitpunkt gespeichert wird.

2. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen Schalters an einem Wechselstromnetz, wobei die Wechsel­ spannung des Wechselstromnetzes bezüglich ihrer Amplitude und ihrer Nulldurchgänge zum Zeitpunkt des Einschaltens des elektromagnetischen Schalters erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einer Einstellphase der Schließzeitpunkt der Kontakte (3) des elektromagnetischen Schalters (2) in Bezug auf die Nulldurchgänge (12) der Netz-Wechselspannung gemessen wird und der Einschaltzeit­ punkt im Sinne einer Minimierung des zeitlichen Abstandes zwischen Kontaktschließzeitpunkt und Spannungs-Nulldurch­ gang verändert und der passende Einschaltzeitpunkt ge­ speichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einstellphase die Messung der Strom-Steigungsänderung im Bereich des Ankerstromrückwirkungs­ knicks und/oder die Messung des Schließzeitpunktes der Kontakte (3) des elektromagnetischen Schalters (2) bei verschiedenen Netz-Wechselspannungen vorgenommen wird und daß zumindest die zu etwa im Nulldurchgang liegenden Kontakt-Schließzeitpunkten passenden Einschaltzeitpunkte mit zugehörigen Betriebsparametern als Referenzwerte abgespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung des Stromverlaufes durch die Magnetspule nach dem Einschalten, die Anzahl der auftretenden Ankerstromrückwirkungsknicke (14, 14a) erfaßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Einschalten des elektro­ magnetischen Schalters (2) anhand der jeweils vorhandenen Betriebsparameter ein dazu passender, abgespeicherter Einschaltzeitpunkt ausgelesen und dann beim Einschalten verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Betriebsphase der Stromverlauf beim Einschalten des elektromagnetischen Schalters (2) bezüglich seiner Steigungsänderung und/oder bezüglich der Anzahl der Ankerstromrückwirkungsknicke (14, 14a) und/oder der Zeitpunkt der Kontaktgabe überwacht und bei Überschreiten von vorgegebenen Grenzwerten der Einschalt­ zeitpunkt verändert und gegebenenfalls abgespeichert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausschalten des elektromagne­ tischen Schalters (2) die Kontakte in dem auf den Ausschaltzeitpunkt folgenden Nulldurchgang geöffnet werden.

8. Vorrichtung zur Ansteuerung eines an einem Wechselstrom­ netz betriebenen, elektromagnetischen Schalters, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Strommeßeinrichtung (4) für den für die Magnetspule (5) des elektromagnetischen Schalters (2) fließenden Strom und/oder eine Meßeinrich­ tung (8) für den Schließzeitpunkt der Kontakte (3) des elektromagnetischen Schalters und darüberhinaus Meßein­ richtungen (6, 7) für die Netzspannungsnulldurchgänge sowie die Netzspannungsamplitude aufweist und daß eine mit den Meßeinrichtungen (4, 6-8) verbundene Auswerteeinrich­ tung (9) zur Bestimmung eines Einschaltzeitpunktes des elektromagnetischen Schalters (2) zum Schließen seiner Kontakte (3) im Bereich eines Nulldurchganges der Netz­ wechselspannung sowie ein Speicher zum Speichern zumindest von Kontakt-Schließzeitpunkten im Spannungsnulldurchgang passend zugeordneten Einschaltzeitpunkten bei jeweils vorgegebenen, unterschiedlichen Betriebsparametern vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Auswerteeinrichtung, der Speicher, die Meßeinrichtungen sowie eine Ablaufsteuerung (9) in einem Mikrocontroller (17) integriert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (5) des elektromagne­ tischen Schalters (2) in Reihe mit einem vom Mikrocon­ troller (17) oder dergleichen angesteuerten Halbleiter­ wechselstromschalter (10) sowie gegebenenfalls einem Strommeßwiderstand (11) geschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Wechselstromschalter (10) ein Triac oder GTOs ist (sind).

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (21) zur Auswahl der Betriebsart zwischen Einstellphase und Betriebsphase vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Vorschaltgerät für vorhandene elektromagnetische Schalter (2) ausgebildet ist.