DE4226656A1 - Schaltvorrichtung für funkenfreies Schalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für funkenfreies Schalten elektrisch betriebener Geräte, bei denen die Temperatur am Einbauort der Elektronik hoch ist.

Steuerungs- und Überwachungssysteme mit einem hohen Anteil an Mikroelektronik sind in Bezug auf elektromagnetische Abstrahlung aus elektrisch betriebenen Geräten extrem empfindlich. Insbesondere für Flugzeuge werden deshalb hohe Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit von in Flugzeugen eingesetzten Geräten, wie Auftauöfen, Gargeräte, Kaffeemaschinen, Wasserboiler, oder dgl. gestellt. Bei der elektromagnetischen Abstrahlung unterscheidet man leitungsgebundene und strahlungsgebundene Störungen. Eine Hauptquelle derartiger Störungen sind die zum Ein- bzw. Ausschalten betätigten Schaltglieder der Geräte.

Bei Verwendung einer Relaissteuerung kommt es sowohl zu leitungsgebundenen Störungen als auch zu strahlungsgebundenen Störungen durch Funkenbildung, denn ein Relais schaltet zu einem beliebigen Zeitpunkt in einem Wechsel- oder Drehstromnetz die Last ein oder aus. Man kann diese Störungen grundsätzlich nicht verhindern, da z. B. bei einem Dreiphasensystem eines Ofens die Phasenverschiebung der Spannung je Phase 120° beträgt und somit meist alle, jedoch mindestens zwei Phasen niemals im Nulldurchgang schalten können.

Andererseits kann man mit einer Elektroniksteuerung im niedrigen Temperaturbereich am Einbauort der Elektronik kontaktlos und verschleißfrei ein- und ausschalten.

Solche Steuerungen haben aber eine hohe Temperaturempfindlich­ keit und eine relativ hohe Eigenerwärmung. Der notwendige Kühlaufwand ist sehr groß.

Auftauöfen und Gargeräte werden aber bei Temperaturen betrieben, welche sich nachteilig auf die Funktion einer Elektroniksteuerung auswirken, sodaß diese in vielen Fällen nicht eingesetzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung zu schaffen, welche einerseits in Temperaturbereichen oberhalb 85°C zuverlässig arbeitet und andererseits elektromagnetisch verträglich ist, d. h. einen definierbaren Einschaltzeitpunkt aufweist und damit bei geringem mechanischen Verschleiß ohne Schaltlichtbogen und mit geringer Eigenerwärmung betrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen.

Durch die Kombination einer Relaissteuerung mit einer Elektroniksteuerung ergibt sich auf einfache Weise eine Schaltvorrichtung, welche optimale Eigenschaften aufweist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und die Funktionsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 die übliche Relaisschaltvorrichtung und die Schaltpunkte in einem 3-Phasennetz.

Fig. 2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung für die Schaltung sowohl einer ohmschen Last als auch einer induktiven bzw. kapazitiven Last.

Fig. 3a die Schaltpunkte in einem 3-Phasennetz bei einer ohmschen Last (nur eine Phase dargestellt),

Fig. 3b die Schaltpunkte in einem 3-Phasennetz bei induktiver (kapazitiver) Last mit Phasenverschiebung von Spannung und Strom um 90° (nur eine Phase dargestellt),

Fig. 3c die Schaltpunkte bei einer Phasenverschiebung entsprechend dem spezifischen Phasenwinkel des Verbrauchers (nur eine Phase dargestellt).

Wie Fig. 1 zeigt, werden bei der üblichen Relaissteuerung in einem 3-Phasen-Netz beim Einschalten in der Regel alle drei Phasen, mindestens aber zwei Phasen nicht im Nulldurchgang t_o geschaltet. Dies ist deshalb nicht möglich, weil bei einem Dreiphasensystem die Phasenverschiebung der Spannung je Phase 120° beträgt. Bei dem angedeuteten Schaltpunkt S₁ wird zwar die Phase A im Nulldurchgang eingeschaltet (oder getrennt), dabei werden aber zwangsläufig die beiden anderen Phasen B und C unter Spannung eingeschaltet.

Bei anderem beliebigem Schaltpunkt S₂ werden alle drei Phasen unter Last geschaltet. Funken- oder Lichtbogenbildung ist somit nicht zu vermeiden.

Es gibt zwar Elektroniksteuerungen mit denen es möglich ist, die drei Phasen zeitlich versetzt so ein- bzw. auszuschalten, daß die Schaltpunkte genau im Nulldurchgang des Stromes liegen und somit keine Lichtbogen- bzw. Funkenbildung auftritt. Bekannt sind solche Schalter als sogenannte "elektronische Null­ spannungsschalter". Ein grundlegender Nachteil dieser Schalter besteht aber darin, daß ihre Elektronik gegenüber höheren Temperaturen am Einbauort so anfällig ist, daß sie z. B. <85°C Umgebungstemperatur überhaupt nicht mehr einsatzfähig sind.

In Fig. 2 ist eine Schaltung gezeigt, welche eine Elektronik­ steuerung mit einer Relaissteuerung derart verbindet, daß die Vorteile beider Steuerungsarten ohne deren Nachteile zum Tragen kommen. An die drei Phasen A, B und C sind sowohl eine ohmsche Last mit den Heizwiderständen W₁, W₂ und W₃ von beispielsweise je 1220 Watt, sowie die drei Spulen Sp₁, Sp₂ und Sp₃ z. B. eines Umluftgebläses für ein Gargerät angeschlossen. Beim Einschalten der Heizwiderstände W₁, W₂ und W₃ (z . B. Ofen­ heizung) wird über den Einschalter E₁ die angedeutete Elektroniksteuerung in Form eines Nullspannungsschalters I zugeschaltet. Dieser schließt die drei Phasen jeweils im Nulldurchgang des Stromes, betätigt dann nach kurzer Zeit die parallel liegende Relaissteuerung R₁. Sobald die drei Kontakte der Relaissteuerung geschlossen sind, werden die Heizwiderstände W₁, W₂ und W₃ über diese Verbindung mit Strom versorgt. Gleichzeitig fließt kein Strom mehr über den elektronischen Nullspannungsschalter I, weil der Strom den Weg des geringsten Widerstandes nimmt. Der Widerstand über den Nullspannungs­ schalter I ist aber von Natur aus höher als der über die Relaiskontakte. Die Zeit, während welcher die Elektroniksteuerung dabei eingeschaltet ist, ist so gering, daß eine Erwärmung kaum eintritt. Die Einschaltung der Heizwiderstände W₁, W₂ und W₃ erfolgt immer im Nulldurchgang der Phasen ohne jeden Lichtbogen- oder Funkenbildung. Die Dauerversorgung ist aber über die robusten Relaiskontakte R₁ gegeben.

Die Einschaltung der drei Spulen Sp₁, Sp₂ und Sp₃ eines Umluftgebläses erfolgt auf ähnliche Weise. Weil bei einer induktiven oder kapazitiven Last aber zwischen Spannung und Strom eine Phasenverschiebung vorliegt, wird eine Elektronik- Steuerung II gewählt, welche den Spannungsnulldurchgang jeder der Phasen A, B und C erkennt, dann aber den Zeitpunkt des Schaltvorganges um die Zeit dT verschiebt, welche dem Phasenwinkel des zu schaltenden Verbrauchers entspricht. Hierdurch erreicht man das gewünschte Einschalten im Stromnulldurchgang. Bewirkt wird ebenfalls die Einschaltung des Relais R₂. Nachdem die Spulen Sp₁, Sp₂ und Sp₃ über die Relaiskontakte des Relais R₂ am Netz liegen, wird auch hier die Elektroniksteuerung II wegen ihres höheren Widerstandes kurzgeschlossen und die Last vom Relais R₂ übernommen.

Die Fig. 3a zeigt die Schaltzeitpunkte des Nullspannungs­ schalters I und Fig. 3b die der Elektroniksteuerung II mit der zeitlichen Verschiebung dT entsprechend der Phasenverschiebung des Stromdurchgangs gegenüber dem Spannungsnulldurchgang. Diese Zeitverschiebung ist an das jeweilig eingesetzte Gerät entsprechend dessen Phasenwinkel über die angedeutete Stelleinrichtung STE anzupassen.

Eine solche Schaltvorrichtung ist auch in Temperaturbereichen oberhalb 85°C einsatzfähig, weil die Elektronik nur kurzzeitig im Bereich von Millisekunden eingeschaltet ist. Die robuste Relaissteuerung wird durch die parallele aber zeitlich vorher betätigte Elektroniksteuerung ohne Ein- oder Ausschaltlichtbogen und damit Funkstörung geschaltet. Die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung erfüllt die in Flugzeugen geforderte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), sodaß elektrische Geräte mit einer derartigen Schaltvorrichtung eingesetzt werden können.

Beim Abschalten der Last über die Schalter E₁ bzw. E₂ werden zunächst die Relaiskontakte geöffnet. Nun ist die Elektronikschaltung I bzw. II nicht mehr kurzgeschlossen; sie übernimmt die Last nur bis zur Erreichung des Stromnulldurchganges. Da der Ausschaltvorgang ebenfalls im Millisekundenbereich vonstatten geht, tritt fast keine Belastung der Elektronik durch Verlustleistung auf.

Weil die Elektroniksteuerungen I und II lediglich den Schaltvorgang auslösen, während die Relais R₁ und R₂ anschließend die Last tragen, erfolgt eine unerhebliche Kontaktbelastung, somit können kostengünstigere Relais eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Schaltvorrichtung für funkenfreies Schalten elektrisch betriebener Geräte in einem höheren Temperaturbereich, insbesondere zum Einsatz in Flugzeugen, gekennzeichnet durch eine Elektroniksteuerung (I, II) und eine Relaissteuerung (R₁; R₂), welche der zu schaltenden elektrischen Last parallel zueinander vorgeschaltet sind, wobei die Relaissteuerung (R₁; R₂) über die beim Strom-Nulldurchgang die Phasen (A, B, C) des Stromnetzes zu- bzw. abschaltende Elektroniksteuerung (I; II) aktiviert wird.

2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schalten einer ohmschen Last als Elektroniksteuerung ein Null-Spannungsschalter verwendet wird.

3. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schalten einer induktiven oder kapazitiven Last eine Elektroniksteuerung mit einstellbarer, der Phasenverschiebung des Stromnulldurchganges gegenüber dem Spannungsnulldurchgang anpaßbaren Schaltzeitverschiebung (dT) verwendet wird.