DE69108394T2 - Elektronischer hilfskontakt für einen schütz. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Hilfskontakt für einen elektromechanischen Schütz gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Herkömmliche Schütze verwenden mechanische Hilfskontakte gemäß Fig. 1, um verschiedene Arten von Steuer- und Überwachungssignalen zu erzielen. Der Kontaktblock ist mit Hilfe eines beweglichen Kontaktelementes a aufgebaut, welches an dem Kontaktüberbrückungsteil bzw. Schaltstück befestigt ist, wobei dieses Element einen Teil des Schaltkreises b des Hilfskontaktes trägt, welcher Teil den Schaltkreis c öffnet und schließt, wenn das Kontaktelement in einer seiner Ruhelagen ist. Die Kontakte sind gefedert, um eine längere mechanische Lebensdauer zu erreichen.
• Ein mechanischer Kontakt ist für Steuerungen geeignet, die bei üblichen Netzspannungspegeln ausgeführt werden, aber Entwicklungen in der Automationstechnologie haben neue Anforderungen an die Qualität der Steuer- und Überwachungssignale gestellt. Niedere Spannungspegel und kleine Ströme sowie ein genaues zeitliches Verhalten der Signale sind nun wünschenswert. Die Information bezüglich der Position des Schaltstückes eines Schützes kann beispielsweise mit Hilfe von mechanischen Hilfskontakten signalisiert werden, aber diese Lösung nach dem Stand der Technik bietet auch Probleme in bezug auf die Verläßlichkeit der erhaltenen Information: Das Prellen der Kontakte beim Öffnen und Schließen erzeugt Signaleinschwingvorgänge, welche Zittereffekte bei der exakten zeitlichen Einordnung der Ereignisse hervorrufen, und aufgrund des mechanischen Spiels der Kontakte hat die zeitliche Einteilung des erzielten Signales unzureichende Genauigkeit für die Stellungsüberwachung des Schaltstückes. Darüber hinaus verursacht eine Verunreinigung und Oxidation der Kontaktoberflächen Fehlfunktionen, besonders bei kleinen Strom- und Spannungspegeln.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein neuartiges System zur Erzielung und Verwendung von Information bezüglich der Stellung eines Schützes zu erreichen.
• Das System gemäß der vorliegenden Erfindung beruht auf der Idee, daß das Betätigungselement des Hilfskontaktes ohne mechanische Berührung des tatsächlichen Schaltkörpers des Hilfskontaktes arbeitet.
• Insbesondere ist der Hilfskontakt gemäß der Erfindung durch das gekennzeichnet, was im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführt ist.
• Ein elektronischer Hilfskontakt gemäß der Erfindung bietet wesentliche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Technologie. So wird aus der Position des Schaltstückes ein stabiles Signal erhalten, Kontaktprell-Einschwingvorgänge werden vermieden und die zeiteinteilungsgenauigkeit der Positionsinformation ist zitterfrei. Aufgrund des hermetischen Schutzes des Schaltelementes werden die Eigenschaften des Hilfskontaktes durch Verunreinigung oder Oxidation nicht verschlechtert. Der elektronische Hilfskontakt hat keine beweglichen Teile, wodurch eine konstante zeitliche Genauigkeit der Positionsinformation sogar bei längerem Gebrauch beibehalten wird, und Isolationsprobleme sind durch die mechanisch nicht-berührende Natur des Hilfskontaktschaltkreises gegenüber den beweglichen Teilen beseitigt.
• Der elektronische Hilfskontakt kann verläßliche Positionsinformation für einen Prozeßsteuerungscomputer auch aus einem Schaltkreis liefern, welcher bei einer niederen Versorgungsspannung arbeitet. Die Lage des Schaltstückes des Schützes kann mit extrem hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der elektronische Hilfskontakt hat einfachen Aufbau, und durch Integration einiger zusätzlicher Elektronik sind Möglichkeiten vielfach verschiedener Überwachungsfunktionen vorstellbar, die mit Hilfe eines mechanisch arbeitenden Hilfskontaktes nicht annähernd mit ausreichender Genauigkeit erzielbar wären. Ein einziger Hilfskontaktblock kann einen oder mehrere Stellungssensoren enthalten, was es möglich macht, verschiedene Zwischenstellungen zu erkennen, welche die üblicherweise angegebenen Ruhelagen ergänzen.
• Die Erfindung wird nun im Detail anhand der beigeschlossenen Zeichnungen und beispielhafter, darin dargestellter Ausführungsformen untersucht.
• Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Hilfskontakt in einer Seitenansicht.
• Fig. 2 zeigt eine Perspektivansicht eines Hilfskontaktes gemäß der Erfindung, der an einem Schütz angebracht ist.
• Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten Hilfskontaktes gemäß der Erfindung.
• Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Hilfskontaktes gemäß der Erfindung in einer Perspektivansicht.
• Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des Signalverarbeitungsblockes eines erfindungsgemäßen Hilfskontaktes.
• Gemäß Fig. 2 ist der Hilfskontaktblock 1 des Schützes am Körper 2 des Schützes befestigt. Gemäß Fig. 3 besteht der Hilfskontaktblock aus einem zweiteiligen Körperblock 4 und einem länglichen Gleitstück 3, welches im Inneren des Körperblockes 4 liegt und entlang einer Nut 5 geführt beweglich ist. Das Gleitstück 3 weist einen Stift 8 auf, der mit dem einen Ende des Gleitstückes senkrecht zur Längsachse des Gleitstückes ausgerichtet ist. Der Stift 8 ist zur Innenseite des Schützes 2 gerichtet. Somit wird der Hilfskontaktblock 1 durch Ansetzen des Stiftes 8 des Gleitstückes 3 am (nicht gezeigten) Schaltstück des Schützes 2 befestigt. Das Gleitstück 3 wird in der Nut 5 genau über dieselbe Wegstrecke bewegt wie sich das Schaltstück des Schützes 2 zwischen seiner oberen und unteren Ruhelage bewegt. Die Stellung des Gleitstückes 3 wird von Sensoren 6 und 6 erfaßt, welche permanent im Körperblock 4 des Milfskontaktblockes 1 montiert sind, wobei die Sensoren bei der beschriebenen Ausführungsform Hall-Sensoren sind. Alternativ können die Sensoren durch induktive oder kapazitive Näherungssensoren oder Optospaltsensoren ersetzt werden. Magnetisch aktivierte Schaltkontakte sind ebenfalls als Sensoren vorstellbar, bieten jedoch keine so gute Genauigkeit, wie sie mit den anderen oben beschriebenen Sensortypen erreichbar ist. Ein Hilfskontaktblock 1 erfordert zwei Sensoren 6 und 6'; ein Sensor dient für die obere und der andere für die untere Ruhelage. Die Funktionen eines mechanischen 1-Stellungs-Hilfskontaktes können durch Verwendung nur eines einzigen Sensors erzielt werden.
• Fig. 3 veranschaulicht eine Konstruktion mit zwei Sensoren 6 und 6', wobei diese Konstruktion in der Lage ist, einen mechanischen 2-Funktions-Schaltkontakt zu ersetzen. Die Sensoren 6 und 6' liegen auf der Oberseite des Gleitstückes 3. Weil die Sensoren 6 und 6' vom Hall-Sensor-Typ sind, ist ein kleiner Permanentmagnet 7 am Gleitstück 3 befestigt wodurch die Bewegung des Magneten, wenn sie mit dem Sensor 6 bzw. 6' zusammenfällt, den jeweiligen Sensor in den leitenden Zustand versetzt. Diese Anordnung macht es möglich, den effektiven Hub des Gleitstückes und die Aktivierungspositionen des Sensors durch verändernde Größe des Magneten 7 und des gegenseitigen Abstandes der Hall-Sensoren 6 und 6' einzustellen. Weil die Hall-Sensoren 6 und 6' nur durch einen magnetischen Fluß aktiviert werden, welcher senkrecht zu ihrer Meßoberfläche verläuft, ist es möglich, eine geeignete Sensor/Magnet-Kombination auszuwählen und diese Elemente entsprechend bezüglich des Flusses auszurichten, welcher vom Hauptmagnetkreis des Schützes 2 ausgestrahlt wird, so daß eine extrem genaue Sensorfunktion, frei von Interferenzen durch Streufelder, erreicht wird. Die Signale von den Sensoren 6 und 6' werden in einem Kabel 35 zu einer nachstehend beschriebenen Signalverarbeitungseinheit geführt; somit erfordert eine Ausführungsform, die auf Hall-Sensoren beruht, ein Kabel mit drei gesonderten Leitern, einen für jedes Hall-Sensorelement. In der Praxis erhöht sich die Anzahl der Leiter auf die Anzahl von Sensoren plus zwei, weil jedes Sensorelement eine gesonderte Signalleitung ergänzt durch eine gemeinsame Masseleitung und gemeinsame Versorgungsspannungsleitung benötigt. Daher ist die Anzahl an Leitern, die bei der beschriebenen Ausführungsform erforderlich ist, gleich 4.
• Fig. 4 zeigt eine korrespondierende Konstruktion, die für induktive oder kapazitive Sensoren 9 geeignet ist. Die mechanische Basiskonstruktion ist gleich jener, die für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform beschrieben worden ist, so daß auch bei dieser Ausführungsform zwei Sensoren 9 erforderlich sind. Diese Art von Sensoren 9 kann ohne einen externen Magnetfluß arbeiten, weil sie die Nähe einer Metallamelle 10 vor ihrer Sensoroberfläche erfassen. Daher ist das Gleitstück 3 mit kleinen Metallplatten 10 ausgestattet, welche bezüglich der Sensoren 9 ausgerichtet sind, so daß eine Platte mit dem oberen Positionssensor zusammenfällt, wenn das Schaltstück in seiner oberen Puhelage ist, und dementsprechend die andere Platte mit dem unteren Positionssensor zusammenfällt, wenn das Schaltstück in seiner unteren Ruhelage ist.
• Die mechanische Konstruktion des Hilfskontaktblockes kann für verschiedene Arten von Schützen variieren, wobei jedoch ein identisches Funktionsprinzip beibehalten wird.
• Ein elektronischer Hilfskontakt arbeitet auf einer niederen Versorungsspannung von 5 bis 48 Volt Gleichstrom, abhängig von dem verwendeten Sensortyp. Hall-Sensoren sowie induktive, kapazitive und optische Sensoren erfordern eine gesonderte Versorgungsspannungsleitung und eine eigene Signalleitung. Der maximal zulässige Laststrom aus den Sensorausgangsstufen ist günstigstenfalls auf einige zehn Milliampere beschränkt, sodaß eine elektronische Leistungstreiberstufe oder ein elektronisches Relais erforderlich ist, um Spannungen oder tröme auf höheren Pegeln zu steuern. Bei den meisten Anwendungen tendiert die Betriebsumgebung dazu, Störungen der Messungen hervorzurufen, so daß das Ausgangssignal aus den Sensorelementen mit elektronischen Mitteln verarbeitet werden muß, die entweder im Sensorblock, in seiner unmittelbaren Nähe oder im Automationssystem angeordnet sind.
• Eine Anwendung des elektronischen Hilfskontaktes ist die Überwachung der Stellung des Schaltstückes von Schützen. Der elektronische Hilfskontakt des Schützes mit zwei Sensoren für das Erfassen der oberen und der unteren Ruhelage ist an einen in Fig. 5 gezeigten Logikschaltkreis angeschlossen. Der Logikschaltkreis weist Eingänge für ein Signal 30 des unteren Stellungssensors und ein Signal 31 des oberen Stellungssensors auf, invertierende Schmitt-Trigger 12 und 13, digitale Tiefpaßfilter 14 und 15 und eine Positionsinformations-Verarbeitungslogikschaltung, bestehend aus drei NICHT-ODER-Gattern 16, 17 und 18 und einem UND-Gatter 19. Die Logikschaltung verarbeitet Eingangssignale von den Eingängen 30 und 31 zu vier verschiedenen Zustandsanzeigesignalen, die definiert sind als: "Sensor nicht angeschlossen"-Signal 20, "Schaltstück nach oben getrieben"-Signal 21, "Schaltstück in der Mitte"-Signal 22 und "Schaltstück nach unten getrieben"-Signal 23.
• Unter harten Betriebsbedingungen führen die Eingangssignale überlagerte Störungen, die aus Harmonischen der Netzfrequenz oder hochfreguenten Einschwingvorgängen bestehen, welche durch Frequenzwandler und andere geschaltete Stromquellen hervorgerufen werden. Die Schmitt-Trigger 12 und 13 an den logischen Eingängen filtern Störungen geringer Amplitude aus den Eingangssignalen, unabhängig von ihrer Frequenz. Der Filtereffekt ist umso effizienter, je breiter die Hysterese der Schmitt-Trigger 12 bzw. 13 ist. Eine weitere Verbesserung der Filterung kann erzielt werden, indem ein großer Eingangsspannungshub verwendet wird. Die Eingänge sind durch Pull-up-Widerstände 32 und 33 zum Zwecke der Erfassung der Integrität der Sensorverbindungen auf "high" gezogen.
• In der zweiten Stufe werden die Störungskomponenten, welche es geschafft haben, die Schmitt-Trigger 12 und 13 zu passieren, durch 1-Bit-Digitalfilter 14 bzw. 15 herausgefiltert. Die Filter 14, 15 können jeweils ein mittelwertbildendes Filter oder ein nichtlineares Tiefpaßfilter sein, das Einschwingvorgänge aus dem Signal entfernt.
• Der oben beschriebene Logikschaltkreis zum Verarbeiten der Stellungsinformation ist so implementiert, daß die Ausgangsstufe eines nicht-aktivierten Sensors 6 in leitendem Zustand ist, wogegen die Ausgangsstufe eines aktivierten Sensors in nicht-leitendem Zustand ist. Wenn keiner der Sensoren 6 aktiviert ist, d.h. beide Ausgangssignale "low" sind, wird dies so ausgelegt, daß das Schaltstück in einer Mittelstellung ist. Ein Signal, welches diesen Zustand anzeigt, wird von dem UND-Gatter 19 gebildet. Eine Situation, bei der beide Sensoren 6 aktiviert sind, wird als unmöglich angesehen, so daß ihr Auftreten als Anzeige einer unterbrochenen Verbindung zu den Sensoren ausgelegt werden kann. Ein Signal, welches diesen Zustand angibt, wird vom NICHT-ODER-Gatter 16 gebildet. Wenn Hall-Sensoren verwendet werden, müssen ihre Ausgangssignaleigenschaften bei der Anordnung der Sensoren berücksichtigt werden. Signale "Schaltstück nach oben getrieben" und "Schaltstück nach unten getrieben" werden durch NICHT-ODER-Gatter aus den Eingangssignalen 30 und 31, ergänzt mit dem "Sensoren nicht angeschlossen"-Signal 20 gebildet.
• Mehrere Hilfskontaktblöcke 1 können parallel geschaltet werden, was bei größeren Schützen eine Möglichkeit bietet, ein schiefes Verkeilen des Schaltstückes zu erkennen, das im allgemeinen ein Kontaktschweißen anzeigt. Information bezüglich der Schaltstückstellung kann sogar in größerem Rahmen zur Steuerung bzw. Kontrolle eines Schützes verwendet werden. Beispielsweise können die Stellungszustandssignale verwendet werden, die Schützöffnung während des Haltens zu überwachen und dann erforderliche Funktionen zu aktivieren, um das Halten des Schützes wieder herzustellen.
• Jede der erörterten Sensorarten ist zur Verwendung mit der oben beschriebenen Schaltung geeignet, vorausgesetzt daß sie eine Ausgangsstufe mit offenem Kollektor enthält, die in der Lage ist, die Logikschaltungssensoreingänge in einen logischen Null-Zustand zu treiben.

Claims (4)

1. Elektronischer Hilfskontakt für einen Schütz, wobei der Hilfskontakt aufweist:

- ein bewegliches Gleitstück (3), welches mechanisch mit einem Schaltstück verbunden ist, sodaß es Positionsänderungen des Schaltstückes folgen kann, und

- zumindest ein Schaltelement (6, 9), welches durch das Gleitstück (3) in einen leitenden bzw. einen nicht-leitenden Zustand aktivierbar ist, um die Position des Schaltstückes in dem Schütz (2) anzuzeigen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- das Gleitstück (3) zumindest ein Aktivierungselement (7; 10) zum Aktivieren des Schaltelementes (6; 9) beinhaltet, und

- das Gleitstück (3) mit dem Schaltelement (6; 9). in keinem mechanischen Kontakt steht.

2. Hilfskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivierungselement (7) ein Permanentmagnet ist und das Schaltelement (6) ein Hall-Sensor ist.

3. Hilfskontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivierungselement (10) ein Materialstück mit metallischen Eigenschaften ist, wenn das Schaltelement (9) ein induktiver Sensor ist.

4. Hilfskontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskontakt (1) zum Zwecke der Verarbeitung des von den Aktivierungselementen (7; 10) ausgelösten Schalter-Ausgangssignals eine Signalverarbeitungseinheit (12...33) besitzt um Störungen zu eliminieren und um die auf die Position des Schaltstückes des Schützes (2) bezogene Information zu verarbeiten.