DE4430382A1 - Elektromechanisches Schaltgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Schaltgerät mit wenigstens einem beweglichen Kontakt und zu­ gehörigem Antrieb in einem Gerätegehäuse und mit Mitteln zur berührungslosen Erkennung des Schaltzustandes.

In elektrischen Verteilungen im industriellen Bereich ist es üblich, den Betriebszustand zu überwachen und speziell die Schaltzustände der Schaltgeräte, wie Ein-/Aus- oder Fehler­ auslösung zu erfassen und zu melden. Als Ziel einer modernen Systemtechnik wird gefordert, daß Schaltgeräte mit Über­ wachungs- und Steuereinrichtungen über einen Datenbus kommu­ nizieren, wozu Betriebsdaten in geeigneter Weise erfaßt wer­ den müssen. Im Falle der Gebäudesystemtechnik sollen z. B. Leitungsschutzschalter mit einer berührungslosen Schaltzu­ standserkennung ausgerüstet sein, welche im einzelnen den Einschaltzustand, die Überstromauslösung, die Kurzschlußaus­ lösung und/oder weitere Schaltzustände erfaßt und über einen Datenbus meldet.

Beim Stand der Technik erfolgt eine Schaltzustandserkennung üblicherweise durch mechanisch gekoppelte Schaltelemente, wie Hilfsschalter und/oder Fehlersignalschalter, die beispiels­ weise am Leitungsschutzschalter angebaut werden, womit der Ein-/Ausschaltzustand und eine mögliche Fehlerauslösung, wie auch Überstrom bzw. Kurzschluß erfaßt werden. Eine solche mechanische Ankopplung der Schaltelemente an die Mechanik des zu überwachenden Schaltgerätes erfolgt zum einen über Öffnun­ gen im Schaltergehäuse, durch die bei Kurzschlüssen elek­ trisch leitende Gase austreten können, die z. B. elektrische Kriechstrecken erzeugen können, und erhöht zum anderen die Betätigungskraft, die zum Einschalten des Schaltgerätes er­ forderlich ist. Daneben können an den zusätzlichen Schaltele­ menten beim kontaktbehafteten Schalten kleiner Ströme und Spannungen, die in der elektronischen Signalverarbeitung üblicherweise auftreten, durch korrosive Effekte Kontaktun­ sicherheiten entstehen, die eine eindeutige Schaltzustands­ erkennung verhindern.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 94106336.4 ist ein Verfahren zur Erken­ nung von Schaltzuständen bekannt, bei der über einen extern an das Schaltergehäuse angelegten Kondensator eine kapazitive Ankopplung an die strom- bzw. spannungsführenden Teile im Schaltgerät realisiert wird. Die über einen kapazitiven Span­ nungsteiler gemessenen Signale besitzen signifikante Verläufe für den Ein- bzw. Ausschaltzustand des Schaltgerätes und können auch hinsichtlich Überstrom und dgl. ausgewertet wer­ den.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein elektromecha­ nisches Schaltgerät auf einfache Weise derart zu modifizie­ ren, daß eine berührungslose Schaltzustandserkennung möglich ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Er­ kennung der Schaltzustände Sensoren vorhanden sind, die an geeigneter Stelle innerhalb und/oder außerhalb des Gerätege­ häuses angeordnet sind und die mit den bestimmten Schaltzu­ ständen verknüpften Magnetfeldwerte erfassen. Vorzugsweise messen die Sensoren zur Erkennung des Ein-/Ausschaltzustan­ des, einer Überstromauslösung und einer Kontaktverschweißung positionsabhängige Magnetfelder von Permanentmagneten. Spe­ ziell zur Kurzschlußauslösung messen die Sensoren das Magnet­ feld des im Schaltgerät fließenden Stromes.

Es hat sich gezeigt, daß zur sensorischen Erfassung der Ein-/ Ausschaltstellung des Schaltgerätes, der Überstromauslösung und des Kontaktverschweißens statische Differential-Hall­ effekt-Sensoren geeignet sind. Zur Erfassung der Kurzschluß­ auslösung ist dagegen ein Reed-Kontakt besser geeignet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur berührungs­ losen Erkennung des Schaltzustandes eines Schaltge­ rätes,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Sensorschaltung,

Fig. 3 ein zu Fig. 2 alternatives Prinzipschaltbild einer BUS-unabhängigen Sensorschaltung,

Fig. 4 einen elektromagnetischen Leitungsschutzschalter für die Anordnung spezieller Sensoren an der Gehäuse­ seitenwand und den notwendigen Anpassungsmaßnahmen für die Sensorbetätigung, und

Fig. 5 eine Prinzipskizze des Sensoraufbaus zur Positions­ überwachung der ferromagnetischen Elemente in Fig. 4.

In Fig. 1 ist in der ersten Zeile die gewünschte Erkennungs­ funktion dargestellt. Dies sind im einzelnen die Schaltstel­ lung, ein möglicher Kurzschluß und/oder ein Überstrom, sowie eine mögliche Kontaktverschweißung. Darunter sind die zuge­ hörigen Sensoren aufgeführt. Im einzelnen sind ein Positions­ sensor 1, ein B-Feldsensor 2 sowie weitere Positionssensoren 3 und 4 vorhanden. Die Sensoren 2 und 3 sind über elektroni­ sche Speicher 5 und 6 auf die Ausgänge gekoppelt, wobei Rück­ kopplungen für das Rücksetzen der elektronischen Speicher so­ wie für eine Rücksetzsperre vorhanden sind.

In Fig. 2 ist als Positionssensor 1, 3 und 4 der Fig. 1 speziell eine statische Differential-Halleffekt-Sonde 10, 30 und 40 vorgesehen. Als B-Feldsensor dient dagegen speziell ein Reed-Kontakt 20.

Die sensorische Erfassung der Schaltstellung (Ein-/Aus) des Schaltgerätes erfolgt mittels des statischen Differential- Halleffekt-Sensors 10, dessen Ausgangsspannung über die Stel­ lung des ferromagnetischen Antriebsbügels "hoch" bzw. "tief" geschaltet wird. Diese Ausgangsspannung stellt sich z. B. auch nach Ausschalten und Wiedereinschalten der Elektronikversor­ gungsspannung eindeutig ein, da der ferromagnetische An­ triebsbügel nach entsprechender Vorgabe den räumlichen Meßbe­ reich des Sensors 10 nicht verläßt. Gleiches gilt für den Verschweißsensor 40, welcher die Position der Kontaktwelle an einem auf der Welle befestigten kleinen Eisenzylinder über­ wacht. Zur Erfassung der Überstromauslösung wird wiederum ein statischer Differential-Halleffekt-Sensor 30 eingesetzt. Der Sensor 30 mißt hier den Positionswechsel eines Eisenstäb­ chens, welches am Verklinkungsende des Klinkenhebels ange­ bracht ist. Beispielsweise kann ein solches Eisenstäbchen die Länge 4 mm und den Durchmesser 4 mm haben. Bei der Entklin­ kung ist der Weg des Eisenstäbchens größer als der räumliche Meßbereich des Sensors, so daß als eindeutiges Auslösesignal die Signalflanke (z. B. "hoch" → "tief") am Ausgang des Dif­ ferential-Halleffekt-Sensors gemessen werden kann. Mit der Signalflanke wird ein elektronisches Gedächtnis gesetzt, das die Überstromauslösung solange anzeigt, bis das Gedächtnis zurückgesetzt wird.

Die Erfassung der Kurzschlußauslösung erfolgt gemäß Fig. 2 zweckmäßigerweise durch den Reed-Kontakt 20. Dieser schaltet bei ausreichend hohem Magnetfeld unabhängig von dessen Pola­ rität. Messungen an einem Reed-Kontakt mit robuster Ausfüh­ rung ergaben das Einschalten bei einer magnetischen Induktion von 3 bis 4 mT. Magnetfelder dieser Höhe werden z. B. beim Leitungsschutzschalter als Streufeld der Auslösespule bei einer Amperewindungszahl von beispielsweise 1200 AW erzeugt. Bei hohen Kurzschlußströmen erreicht der untersuchte Reed- Kontakt eine Einschalt-Verzugszeit von etwa 0,2 ms. Nach Ab­ klingen des Kurzschlußstromes schaltet der Reed-Kontakt 20 wieder aus. Mit dem Schaltsignal des Reed-Kontaktes 20 wird ein elektronisches Gedächtnis gesetzt, das bis zu seinem Zu­ rücksetzen die Kurzschlußauslösung speichert.

Alternativ zum Reed-Kontakt 20 kann ein möglicher Kurzschluß auch durch andere magnetfeldempfindliche Sonden, wie Hall- Effekt-IC′s, beispielsweise "Hall effect switch", überwacht und mit einer Auswertelogik weiterverarbeitet werden.

Der Vorgang des Setzens bzw. Zurücksetzens der elektronischen Gedächtnisse muß bei Kurzschlußdraufschaltungen in spezifi­ scher Weise gesteuert werden. So kann bei einer Handeinschal­ tung eines Leitungsschutzschalters eine Kurzschlußausschal­ tung erfolgen, obwohl der Drehknauf in Einschaltposition ge­ bracht wird. Durch logische Und-Verknüpfung des Einschalt­ signals mit den Signalen "keine-Überstromauslösung" und "keine-Kurzschlußauslösung" wird das Rücksetzen der elektro­ nischen Gedächtnisse unmittelbar während der Überstrom- oder Kurzschlußauslösung blockiert.

Für letzteren Zweck sind in Fig. 2 monostabile Kippstufen 12, 50 und 51 zur Einstellung der Impulsdauer vorhanden, deren nichtinvertierende Ausgänge bzw. deren invertierende Ausgänge an die Eingänge eines Und-Schaltgliedes 52 ange­ schlossen sind, dessen Ausgang die Rücksetz-Eingänge der Flipflops 22 und 32 ansteuert. Somit wird das Rücksetzen und die Rücksetzsperre gebildet.

Im einzelnen besteht das Prinzipschaltbild zur Schaltzu­ standserkennung in Fig. 2 aus Sensoren 10, 20, 30 und 40 zur Erfassung der verschiedenen Zustände, aus Impulsformern 11, 31 und 41 bestehend aus einer Reihenschaltung einer Zener- Diode zur Korrektur der Offset-Spannung und einem RC-Tiefpaß, aus einem Lastwiderstand 21 für den Reedkontakt 20, sowie aus einer Speicherschaltung für die transienten Signale des Kurz­ schlußsensors 20 und des Überstromsensors 30, wobei die Spei­ cherschaltung zwei Flipflop 22 und 32 enthält, deren gespei­ cherte Signalzustände durch die Rücksetzschaltung, bestehend aus den monostabilen Kippstufen 12, 50 und 51, dem Und- Schaltglied 52 und dem Entstörglied 55 zeitgesteuert zurück­ gesetzt werden. Die Treiberstufen 13, 23, 33 und 43 dienen zur Pegelanpassung der Schaltzustandssignale für die weitere Signalverarbeitung, wie optische Anzeige, Busankopplung und dergleichen.

Das Prinzipschaltbild nach Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer BUS-unabhängigen Sensorschaltung zur Erkennung der Schaltzustände. Im Unterschied zur Schaltung nach Fig. 2 wird in der Schaltung nach Fig. 3 die Auswertung und Anzeige der Schaltzustände selbst vorgenommen. Das Prinzipschaltbild nach Fig. 3 enthält daher zusätzliche logische Verknüpfungen für die Auswertung und Anzeige der Schaltzustände, wie Schaltstellung Ein/Aus, Kurzschluß, Überstrom und Kontaktver­ schweißung. So sind die Ausgangssignale der Flipflop′s 22 und 32 durch das Und-Schaltglied 54 miteinander verknüpft, um im Kurzschlußfall die Überstromanzeige zu sperren und nur die Kurzschlußanzeige zu aktivieren. Die Rücksetzschaltung wird aus den beiden monostabilen Kippstufen 12 und 50, dem Und- Schaltglied 52, dem Nand-Schaltglied 53 sowie dem Entstör­ glied 55 gebildet. Eine Kontaktverschweißung wird als solche erkannt, wenn in der Schaltstellung "Aus" des Schaltgerätes die Kontaktwelle in der Einschaltstellung bleibt. Dazu er­ folgt eine zeitlich gesteuerte Verknüpfung der beiden Sensor­ signale "Schaltstellung" und "Kontaktwelle" durch die mono­ stabilen Kippstufen 12 und 60, dem Nand-Schaltglied 61 und den Und-Schaltgliedern 62 und 63. Die optische Anzeige er­ folgt schließlich über Anzeigenelemente 12, 24, 34 und 44, z. B. Lumineszenzdioden.

In der Fig. 4 bedeuten 100 ein konventionelles Schaltgerät, beispielsweise einen Leitungsschutzschalter. Wesentlich sind bei einem solchen Schalter 100 der Festkontakt 102 und der auf einem beweglichen Kontaktträger 103 angeordnete Bewegkon­ takt 104. Die mechanische Kopplung des beweglichen Kontakt­ trägers an das Schaltschloß erfolgt durch einen ferromagneti­ schen Antriebsbügel 105.

Auf die Mechanik sowie den Antrieb eines solchen bekannten Schalters wird nicht im einzelnen eingegangen. Lediglich pau­ schal werden die mechanischen Antriebselemente mit 110 und der Magnetantrieb mit 120 bezeichnet.

Für den vorliegenden Anwendungszweck ist wichtig, daß der An­ triebsbügel aus ferromagnetischem Material besteht. Der An­ triebsbügel kann in seiner Dicke teilweise auf z. B. 2,5 mm verstärkt sein, um seinen Einfluß auf den Magnetfeldverlauf zu erhöhen. Weiterhin sind am Klinkenhebel und an der Kon­ taktachse ferromagnetische Stäbchen 115 und 116 zur Posi­ tionsüberwachung angebracht. Die Stellung dieser Elemente aus ferromagnetischem Material wird durch die Halleffekt-Sonden 10, 30 und 40 erfaßt. Weiterhin ist neben dem Magnetantrieb 120 der Reed-Kontakt 20 zur Erfassung von stromflußbedingten Magnetfeldern angeordnet.

Die Sensoren 10, 20, 30 und 40 sind im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 außerhalb des Schaltergehäuses angebracht. Die Projektion der Sondenpositionen auf die Zeichenebene ist durch Kreuze bzw. durch ein stilisiertes Reed-Kontaktsymbol verdeutlicht. Gegebenenfalls können die Sonden auch teilweise innerhalb des Gehäuses bzw. auf der Gehäusewand angeordnet sein.

In Fig. 5 ist eine schematische Meßanordnung zur berührungs­ losen Positionsbestimmung an einem der ferromagnetischen Stäbchen der Fig. 4 dargestellt. Hierzu befindet sich die Differential-Hall-Effekt-Sonde 202 in einem vorgegebenen Abstand, der als Luftspalt-Abstand mit 203 charakterisiert ist, zu einem ferromagnetischen Element 204. Auf der dem Luftspalt abgewandten Seite der Sonde 202 befindet sich ein Permanentmagnet 200, dessen Magnetfeld die Sonde in etwa senkrecht durchdringt und in den Luftspalt eintritt. Bei der Bewegung des ferromagnetischen Elementes in Verschiebungs­ richtung 205 werden die in das Element eintretenden Magnet­ feldlinien mit verschoben. Die dabei resultierende Feldver­ zerrung am Ort der beiden Hall-Bereiche führt zu einem Dif­ ferenzausgangssignal der Differential-Halleffekt-Sonde 202.

Alternativ zur Positionsbestimmung ferromagnetischer Elemente kann die Differential-Halleffekt-Sonde direkt die Position eines kleinen Hartmagnetelementes bestimmen. In diesem Fall entfällt der in Fig. 5 vorhandene Permanentmagnet 200 auf der Rückseite der Sonde 202.

Mit der in Fig. 4 und 5 angegebenen Anordnung der Sensoren ist eine Sensorüberwachung der vier Schaltzustände Ein-/Aus, Überstromauslösung, Kurzschlußauslösung und Kontaktver­ schweißung zuverlässig und unempfindlich gegen Störeinflüsse. Dafür können folgende Punkte angeführt werden:

• - Das Ein-/Aussignal und das Verschweißsignal werden permanent angezeigt.
• - Das Überstrom-Auslösesignal wird bei mäßiger Stromhöhe er­ faßt und gespeichert, beispielsweise i 5 · I_N
• - Das Kurzschlußauslösesignal des Reed-Kontaktes 20 besteht bis zum Abklingen des Stromes auf kleine Stromwerte, so daß mit einer sicheren Erkennung und Speicherung zu rechnen ist. Beispielsweise schließt der Reed-Kontakt 20 im Streu­ feld der Magnetspule, wenn der im Schaltgerät mit Aus­ lösecharakteristik B16 fließende elektrische Strom 130 A überschreitet, und öffnet, wenn der elektrische Strom 40 A unterschreitet.

Um die Beeinflussung des Reed-Kontaktes 20 durch magnetische Fremdfelder, beispielsweise von benachbarten Schaltgeräten, zu vermeiden, kann der Reed-Kontakt auf der dem überwachten Schaltgerät abgewandten Seite mit einer magnetischen Abschir­ mung versehen werden.

Claims (15)

1. Elektromechanisches Schaltgerät mit wenigstens einem be­ weglichen Kontakt und zugehörigem Antrieb in einem Geräte­ gehäuse mit Mitteln zur berührungslosen Erkennung des Schalt­ zustandes, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Schaltzustände Magnetfeldsensoren (10, 20, 30, 40) vorhanden sind, die an geeigneter Stelle inner­ halb und/oder außerhalb des Gerätegehäuses (100) angeordnet sind und die mit den bestimmten Schaltzuständen verknüpfte Magnetfeldwerte erfassen.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensoren (10, 30, 40) zur Erkennung des Ein-/Ausschaltzustandes, einer Überstromaus­ lösung und einer Kontaktverschweißung positionsabhängige Magnetfelder von Permanentmagneten messen.

3. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor (20) zur Kurz­ schlußauslösung das Magnetfeld des im Schaltgerät fließenden Stromes mißt.

4. Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassung der Ein-/Aus- Schaltstellung mittels eines statischen Differential-Hall­ effekt-Sensors (10) erfolgt.

5. Schaltgerät nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassung der Überstrom­ auslösung mittels eines statischen Differential-Hall-Effekt- Sensors (30) erfolgt.

6. Schaltgerät nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Sensor (30) Speichermittel zur Realisierung eines "elektronischen Gedächtnisses" zuge­ ordnet sind.

7. Schaltgerät nach Anspruch 2, wobei der bewegliche Kontakt auf einem um eine Drehachse verschwenkbaren Kontaktträger an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halleffekt-Sensor (40) als Magnetfeldsensor zur sen­ sorischen Erfassung der Drehachse des Kontaktträgers (103) dient.

8. Schaltgerät nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erfassung einer Kontakt­ verschweißung durch logische Verknüpfung der Signale "Schalt­ stellung" des Sensors (10) und "Kontaktwelle" des Sensors (40) erfolgt.

9. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Posi­ tionsabhängigkeit der von den Sensoren (10, 30, 40) gemesse­ nen Magnetfelder von Permanentmagneten durch die zu über­ wachenden Komponenten der Schaltermechanik erzeugt wird.

10. Schaltgerät nach Anspruch 9 mit einem Antriebsbügel als Komponente der Antriebsmechanik, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu überwachende Kompo­ nente der Schaltermechanik, beispielsweise der Antriebsbügel (105), aus ferromagnetischem Material besteht.

11. Schaltgerät nach Anspruch 9 mit einer Kontaktwelle und einem Klinkenhebel als Komponenten der Antriebsmechanik, dadurch gekennzeichnet, daß die zu überwachende Komponente der Schaltermechanik , beispielsweise die Kontaktwelle (116) und Klinkenhebel (115), ein ferro­ magnetisches Materialstück trägt.

12. Schaltgerät nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das ferromagnetische Mate­ rialstück als Eisenstäbchen bzw. -hohlzylinder ausgebildet ist und beispielsweise eine Länge von ca. 4 mm und eine Dicke von ca. 4 mm hat.

13. Schaltgerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Erfassung der Kurzschluß­ auslösung ein Reed-Kontakt (20) vorhanden ist.

14. Schaltgerät nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Reed-Kontakt (20) Spei­ chermittel zur Realisierung eines "elektronischen Gedächt­ nisses" zugeordnet sind.

15. Schaltgerät nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reed-Kontakt (20) durch eine ferromagnetische Abschirmung gegen magnetische Fremd- Störfelder abgeschirmt ist.