DE69914053T2

DE69914053T2 - Einrichtung zur Steuerung eines Elektromagneten, mit Erfassung von unbeabsichtigtem Bewegen des beweglichen Kerns eines Elektromagneten

Info

Publication number: DE69914053T2
Application number: DE69914053T
Authority: DE
Inventors: Mustapha Chelloug; Ghislain Durif
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: US6317308B1; FR2786915A1; FR2786915B1; EP1009004B1; EP1009004A1; DE69914053D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Betätigungseinrichtung und einem Elektromagneten, welche Anordnung einen beweglichen Kern umfaßt mit mindestens einer Schaltphase, in der der Elektromagnet mit einem Schaltbefehl beaufschlagt wird, und einer Haltephase, in der er mit einem, im Vergleich zum Schaltstrom niedrigeren Haltestrom beaufschlagt wird, und mindestens eine Spule umfaßt, die in Reihe mit einem elektronischen Schalter an die Klemmen einer Versorgungsspannung angeschlossen ist, sowie Meßmittel zur Messung des in der Spule fließenden Stroms und Steuermittel zur Betätigung des Elektromagneten umfaßt, die mit den Strommeßmitteln sowie einer Steuerelektrode des elektronischen Schalters verbunden sind und Regelmittel zur Regelung des in der Spule fließenden Stroms in der Haltephase umfassen.
In der Druckschrift EP0411903 ist eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben.
Es ist bekannt (FR-A-2.133.652), zur Betätigung eines Elektromagneten diesen kurzzeitig mit einem verhältnismäßig hohen Schaltstrom und anschließend mit einem kleineren Haltestrom zu beaufschlagen. Dies kann sowohl durch eine Einrichtung mit nur einer Spule, in welcher der Strom zur Erzeugung des Haltestroms zerhackt wird, als auch durch eine doppelte Wicklungsanordnung mit einer Schaltspule und einer Haltespule erfolgen. Des weiteren ist bekannt, den Schaltstrom und den Haltestrom auf bestimmte festgelegte Sollwerte auszuregeln (FR-A-2.568.715).
Ein Elektromagnet umfaßt herkömmlicherweise einen beweglichen Kern, dessen Verschiebung in eine Stellung, in der der Elektromagnet betätigt ist, dadurch bewirkt wird, daß die Spule mit einem Schaltstrom beaufschlagt wird. Anschließend wird der Kern in dieser Stellung gehalten, indem ein Haltestrom über die Haltespule fließt, die mit der Schaltspule identisch sein kann. Um die Erwärmung des Elektromagneten zu verringern, versucht man, den Haltestrom zu verkleinern. In einigen Fällen wirft diese Verringerung des Haltestroms durch Stöße, insbesondere durch mechanische Stöße ausgelöste Probleme auf, die eine unbeabsichtigte Verschiebung des Kerns in die Ruhestellung des Elektromagneten zur Folge haben können.
Probleme dieser Art treten insbesondere in Schützen oder elektrischen Hilfseinrichtungen von Leistungsschaltern, beispielsweise in Ausschalt-Elektromagneten (MN bzw. MX) oder Einschalt-Elektromagneten (XF) von Leistungsschaltern auf.
Allgemeiner ausgedrückt hat das Bemühen, die Baugröße von Elektromagneten zu reduzieren, eine geringere Belastbarkeit der Spulen zur Folge und erhöht die Stoßempfindlichkeit der Elektromagneten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beheben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuermittel Detektionsmittel umfassen, um während einer Haltephase eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem in der Spule fließenden Strom zu detektieren, wenn der genannte Strom während der Haltephase über dem Sollwert liegt, sowie Steuermittel umfassen, die bei Detektion einer unbeabsichtigten Verschiebung eine Umschaltung in die Schaltphase veranlassen.
Die schnelle Detektion eines Stoßes erlaubt die erneute Umschaltung in die Schaltphase und die Rückstellung des beweglichen Kerns, bevor sich seine Verschiebung auf die von ihm gesteuerte Einrichtung auswirkt.
Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfassen die Detektionsmittel Mittel zur Detektion der Änderungsrichtung des in der Spule fließenden Stroms, wobei eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn in der Haltephase der Strom über dem Sollwert liegt und gleichzeitig ansteigt.
Die Mittel zur Detektion der Änderungsrichtung des Stroms umfassen dann vorzugsweise Mittel zur Bestimmung einer Größe, welche die Stromänderung in Abhängigkeit von der Zeit abbildet, wobei eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn in der Haltephase der Strom über dem Sollwert liegt und die genannte Größe positiv ist.
Nach einer zweiten Weiterbildung der Erfindung wird eine unbeabsichtigte Verschiebung durch die Detektionsmittel detektiert, wenn der Strom in der Haltephase während einer festgelegten Zeitdauer über dem Sollwert liegt.
Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Einrichtung zur Betätigung eines Elektromagneten nach dem bisherigen Stand der Technik;
2 eine schematische Schnittansicht eines Elektromagneten bekannter Bauart;
3a und 3b die zeitabhängige Änderung der Signale B bzw. Ib einer Einrichtung aus 1, in der die Regelung mit Hilfe von Stromabtastwerten erfolgt;
4a und 4b die Signale B und Ib einer Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Einrichtung vor und nach der Detektion eines Stoßes;
5a und 5b die Signale B bzw. Ib einer Einrichtung gemäß 1 bei unzureichender Regelung;
6 eine schematische Darstellung zusätzlicher Komponenten der Einrichtung aus 1 entsprechend einer Ausgestaltung mit einer Schaltspule;
7 eine besondere Ausgestaltung eines Unterprogramms für eine Haltephase einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
8 eine Ausführungsvariante des Unterprogramms aus 7.
Die in 1 gezeigte Einrichtung, die bauartmäßig der in der Druckschrift FR-A-2.568.715 beschrieben Einrichtung entspricht, umfaßt eine Spule 1, die in Reihe mit einem Transistor T1 und einem Meßwiderstand R1 zwischen die Klemmen einer Versorgungsspannung Va geschaltet ist. Gemäß der üblichen Auslegung ist parallel zur Spule 1 eine Freilaufdiode D1 geschaltet. Ein Ausgang S1 einer Steuer- und Regelschaltung 2 ist mit einer Steuerelektrode des Transistors T1 verbunden und beaufschlagt diese mit Steuersignalen B. Ein Eingang E1 der Schaltung 2 empfängt Steuersignale A zur Betätigung des Elektromagneten. Die Schaltung 2 ist außerdem mit den Klemmen des Widerstands R1 verbunden, derart daß sie an einem Eingang E2 den Strom Ib in der Spule 1 abbildende Signale Ib_i empfängt, wenn der Transistor T1 durchgeschaltet ist. Auf diese Weise erlaubt die Schaltung 2 die Steuerung der Einrichtung und gleichzeitig die Ausregelung des Spulenstroms auf bestimmte, von der Versorgungsspannung Va unabhängige Werte. Eine an die Klemmen der Versorgungsspannung Va angeschlossene Stromversorgungsschaltung 3 liefert eine stabilisierte Hilfsversorgungsspannung an die Schaltung 2.
Der in 2 gezeigte Elektromagnet bekannter Bauart umfaßt einen Anker 4, in den eine Spule 1 eingesetzt ist. Die Spule 1 umschließt einen fest mit dem Anker verbundenen, feststehenden Kern 5 und einen beweglichen Kern 6. Zwischen dem feststehenden und dem beweglichen Kern ist eine Feder 7 eingesetzt, derart daß der bewegliche Kern 6 vom feststehenden Kern weggedrückt wird. In der in 2 gezeigten Ruhestellung des Elektromagneten steht ein fest mit dem beweglichen Kern verbundener Tauchstift 8 aus dem Anker 4 hervor.
Wird ein Betätigungsbefehl A auf den Eingang E1 der Schaltung 2 gegeben, durchläuft diese zunächst eine Schaltphase. Während dieser Schaltphase steuern die Signale B die Umschaltung des Transistors 1 in den Durchlaßzustand, d. h. das Schließen des durch den Transistor gebildeten elektronischen Schalters, so daß ein verhältnismäßig hoher Strom Ib oder Schaltstrom über die Spule 1 fließt. Der durch die Spule 1 fließende Schaltstrom bewirkt das Verschieben des beweglichen Kerns 6 entgegen der Wirkkraft der Feder 7 in Richtung des feststehenden Kerns 5. Liegen die beiden Kerne aneinander, steht der Tauchstift 8 nicht mehr aus dem Anker hervor. Normalerweise kann über die Stellung des Tauchstiftes 8 das Ausschalten oder Einschalten einer Einrichtung, z. B. eines Schützes oder eines Leistungsschalters gesteuert werden.
Die Schaltphase ist ausreichend lang, um eine vollständige Verschiebung des beweglichen Kerns bis zu seinem Anschlag am feststehenden Kern 5 zu ermöglichen. Danach ist der Fluß eines hohen Schaltstroms nicht mehr erforderlich, um den beweglichen Kern in der Betätigungsstellung des Elektromagneten zu halten, und normalerweise schaltet die Steuer- und Regelschaltung 2 daher anschließend in eine Haltephase. Während der Haltephase steuern die Signale B das Durchschalten des Transistors T1 so, daß nun ein kleinerer Haltestrom Ib über die Spule 1 fließt.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung wird der Haltestrom Ib durch die Schaltung 2 so geregelt, daß er in der Nähe eines Sollwerts Icm des Haltestroms liegt. Die Schaltung 2 kann auf bekannte Weise als Analog- oder Digitalschaltung, z. B. als Mikroprozessorschaltung ausgebildet sein. Nach dem bisherigen Stand der Technik erfolgt die Regelung durch Pulsbreitenmodulation (PWM) eines Steuersignals B mit konstanter hoher Frequenz.
Die 3a und 3b zeigen die Signale B und den Strom Ib während einer Haltephase und die Auswirkungen eines Stoßes in einer Einrichtung gemäß 1, bei der die Regelung mit Hilfe von Stromabtastwerten Ib_i erfolgt, die mit einer bestimmten, festen Abtastfrequenz gemessen werden.
Zum Zeitpunkt t1 liegt das Signal B auf dem logischen Wert 1, da der Strom Ib unterhalb des Sollwerts Icm liegt, und der Transistor T1 ist leitend. Der Strom Ib wird entsprechend der Darstellung in 3b durch die Schaltung 2 mit einer Abtastperiodendauer Te abgetastet.
Solange der Haltestrom Ib unter dem Sollwert Icm liegt, bleibt das Signal B auf 1 und der Strom in der Spule steigt an. Erreicht oder überschreitet zu einem Zeitpunkt t2 ein Abtastwert Ib_i des Stroms Ib den Sollwert Icm, schaltet das Signal auf 0 und steuert so den Übergang in eine Ausschaltphase zur Abschaltung des durch den Transistor T1 gebildeten elektronischen Schalters. Nach dem Sperren des Transistors beginnt der Strom in der Spule zu sinken. Während der Ausschaltphase sendet die Schaltung 2 in regelmäßigen Abständen Abtastimpulse Bi an die Basis des Transistors T1, so daß dieser jeweils in den Durchlaßzustand schaltet und an den Klemmen des Widerstands R1 ein Abtastwert Ib_i des in der Spule fließenden Stroms Ib gemessen werden kann. Diese regelmäßigen Abtastimpulse Bi mit einer Periodendauer Te sind sehr kurz, so daß sie den Wert des Stroms Ib in der Spule nicht beeinflussen. Diese Impulse sind in 3a, 4a und 5a dargestellt. In der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß sich der Transistor T1 während der Haltephase in einer Ausschaltphase befindet, solange das Signal B außerhalb der Abtastintervalle auf 0 bleibt. Bei normalem Betrieb sinkt der Strom Ib nach einer oder zwei Abtastperioden, z. B. zum Zeitpunkt t3 in 3b wieder unter den Sollwert Icm. Dies wird von der Schaltung 2 erkannt, die daraufhin die Ausschaltphase beendet, indem sie das Signal B wieder auf den logischen Wert 1 setzt und so erneut das Umschalten des Transistors T1 in den Durchlaßzustand sowie den Anstieg des Stroms Ib während mindestens einer Abtastperiode bewirkt.
Ein auf den Elektromagneten oder die durch ihn gesteuerte Einrichtung einwirkender mechanischer Stoß kann ein Abfallen des beweglichen Kerns 6 vom feststehenden Kern 5 bewirken, wenn der Haltestrom zu klein ist.
Die Folgen eines solchen Stoßes sind in 3a und 3b für einen Zeitpunkt t4 dargestellt. Der Stoß hat zur Folge, daß der bewegliche Kern beginnt, sich zu verschieben. Diese Verschiebung hat in der Spule eine elektromotorische Kraft zur Folge, die einen den geregelten Haltestrom überlagernden Zusatzstrom erzeugt. Es kommt daher trotz der Regelung, d. h. in der gezeigten besonderen Ausgestaltung trotz der vorliegenden Ausschaltphase des Transistors T1 (B = 0 zwischen den Abtastimpulsen) nach dem Zeitpunkt t4 zu einem Anstieg des Stroms Ib. Werden keine weiteren Maßnahmen getroffen, kann der Strom Ib den in 3b, zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 dargestellten Verlauf annehmen, d. h. zunächst Anstieg, danach Durchlaufen eines Höchstwerts und Abfall bis zur Unterschreitung des Sollwerts Icm.
Zum Zeitpunkt t5 übernimmt der Mikroprozessor erneut die Regelung des Haltestroms in der Spule. Dieser Haltestrom reicht jedoch nicht aus, um den beweglichen Kern 6 wieder an den feststehenden Kern 5 heranzuführen. Der Stoß hat somit eine unbeabsichtigte Entregung des Elektromagneten verursacht. Ist der Elektromagnet beispielsweise Teil eines Unterspannungs auslösers (MN) eines Leistungsschalters, kann er gemäß der in 2 dargestellten Bauart ausgeführt sein. Bei erregtem Elektromagneten, d. h. bei aneinanderliegenden Kernen 5 und 6, befindet sich der Tauchstift 8 in der zurückgezogenen Stellung. Sinkt die an der Betätigungseinrichtung des Elektromagneten anliegende Spannung unter einen festgelegten Wert, wird der Stromfluß in der Spule unterbrochen und der bewegliche Kern 6 durch die Wirkung der Feder 7 vom feststehenden Kern 5 weggedrückt. Der Tauchstift 8 wird dabei aus dem Anker herausgeschoben und bewirkt die sofortige Abschaltung des Leistungsschalters. Ein anschließendes Wiedereinschalten des Leistungsschalters ist erst dann möglich, wenn der Unterspannungsauslöser an Spannung liegt und der bewegliche Kern 6 erneut gegen den feststehenden Kern 5 geführt wird. Ein unbeabsichtigter Stoß der beschriebenen An kann also die Abschaltung des Leistungsschalters zur Folge haben. Da der nach dem Zeitpunkt t5 an den Elektromagneten gelieferte Haltestrom nicht ausreicht, um die Kerne zusammenzuführen, ist eine Wiedereinschaltung des Leistungsschalters nicht möglich, wenn nicht zuvor die Stromversorgung des Auslösers abgeschaltet und erneut eingeschaltet wird, so daß eine Schaltphase eingeleitet wird und die Kerne erneut zusammengeführt werden.
Erfindungsgemäß wird ein ungewolltes Verschieben des beweglichen Kerns des Elektromagneten während einer Haltephase schnell detektiert und die Umschaltung in eine Schaltphase unmittelbar nach der Detektion einer solchen Verschiebung veranlaßt. Dank der schnellen Umschaltung in die Schaltphase hat der unbeabsichtigte Stoß entweder gar keine oder nur geringere Auswirkungen. Wird ein unbeabsichtigter Stoß z. B. bei einem Unterspannungsauslöser (MN) während der Verschiebung des beweglichen Kerns 6 so rechtzeitig erkannt, daß die Schaltphase aktiviert wird, bevor der Tauchstift 8 die Abschaltung des Leistungsschalters bewirkt hat, bleibt der Stoß ohne jede Auswirkung. Wird der Stoß später detektiert, kann es zunächst durch die Wirkung des Tauchstifts 8 zur Abschaltung des Leistungsschalters kommen. Die automatische Umschaltung in die Schaltphase bei Detektion des Stoßes hat jedoch automatisch die erneute Zusammenführung der Kerne zur Folge und ermöglicht ein Wiedereinschalten des Leistungsschalters. In diesem Fall werden die Auswirkungen eines unbeabsichtigten Stoßes zwar nicht vollständig verhindert, aber in jedem Fall abgeschwächt.
Die 4a und 4b zeigen die Signale B und Ib in einer erfindungsgemäßen Einrichtung. Bis zum Zeitpunkt t4 gewährleistet die Einrichtung wie zuvor die Ausregelung des Haltestroms auf einen Wert um den Sollwert Icm. Zum Zeitpunkt t4, zu dem ein unbeabsichtigter Stoß auftritt, steigt der Strom Ib an. Wenn die Betätigungseinrichtung gemäß einer ersten Variante im Verlauf der Ausschaltphase einer Haltephase vier aufeinanderfolgende Abtastwerte Ib_i erfaßt, die über dem Sollwert Icm liegen, so interpretiert die Einrichtung dies als Auswirkung eines Stoßes und veranlaßt die Umschaltung in die Schaltphase. Diese Variante ist in 4a und 4b dargestellt. Zum Zeitpunkt t6 wurden seit dem Zeitpunkt t4 vier aufeinanderfolgende Abtastwerte über Icm detektiert. Dadurch bewirkt die Steuer- und Regelschaltung 2 die Durchschaltung des Transistors T1 (B = 1) bis der Strom Ib in der Spule 1 einen Schaltsollwert Ica erreicht. Anschließend regelt sie den Strom in der Spule so, daß er während der Schaltphase dem Wert Ica entspricht. Der Wert Ica ist wesentlich größer als der Wert Icm (10 bis 20mal so hoch) und bewirkt die erneute Zusammenführung des beweglichen und des feststehenden Kerns. Normalerweise schaltet die Steuerschaltung nach einer bestimmten Zeit (z. B. 80 ms) erneut in die Haltephase.
In bestimmten Fällen ist diese Bedingung für die Detektion eines Stoßes jedoch nicht ausreichend. Ein solcher Fall ist in 5a und 5b dargestellt. In diesen Figuren befindet sich der Elektromagnet in der Haltephase und der Strom Ib in der Spule wird auf den Sollwert Icm ausgeregelt. Es kann vorkommen, daß beim Durchschalten des Transistors T1 (B = 1) der Strom Ib in der Spule rasch ansteigt, wie dies zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 zu sehen ist. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Versorgungsspannung Va, die normalerweise eine vollwellig gleichgerichtete Wechselspannung darstellt, zeitweilig einen zu hohen Scheitelwert aufweist. Nachdem zum Zeitpunkt t8 ein erster Abtastwert über dem Sollwert Icm detektiert wurde, bewirkt die Steuerschaltung normalerweise das Sperren des Transistors T1 (B = 0) und das Umschalten in die Ausschaltphase. Der Strom Ib sinkt dann erneut bis auf den Sollwert Icm. Da der vom Strom Ib zum Zeitpunkt t8 erreichte Maximalwert verhältnismäßig hoch ist, braucht der Strom länger als zwei Abtastperioden Te, um erneut unter Icm zu fallen. In 5b sinkt der Strom Ib erst zum Zeitpunkt t9 wieder unter den Sollwert Icm, nachdem zuvor fünf aufeinanderfolgende Abtastwerte des Stroms Ib über dem Sollwert lagen. Bei der oben anhand der 4a und 4b beschriebenen Variante wird dies von der Steuerschaltung 2 als Auswirkung eines Stoßes interpretiert, der eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns bewirkt hat. Dies ist aber nicht der Fall, denn es handelt sich nur um eine unzureichende Regelung. Bei der ersten Variante würde die Steuerschaltung in die Schaltphase umschalten, obwohl dies nicht erforderlich ist. Die allzu häufige Umschaltung in die Schaltphase hätte aber eine hohe Verlustleistung in der Spule zur Folge, wodurch die Einrichtung zerstört werden könnte.
Eine Weiterbildung der Erfindung zielt darauf ab, solche unnötigen Umschaltungen in die Schaltphase zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann die Mindestzeitspanne verlängert werden, während der der Strom Ib über dem Sollwert liegen muß, damit auf eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns geschlossen wird. Bei fester Abtastfrequenz ist dies gleichbedeutend mit der Erhöhung der für die Detektion eines Stoßes erforderlichen Anzahl der aufeinanderfolgenden Abtastwerte > Icm. Dies führt jedoch zur Verminderung der Ansprechzeit des Systems und erlaubt dem beweglichen Kern eine größere Verschiebung, bevor eine Systemreaktion erfolgt.
Der Vergleich der 4b und 5b zeigt, daß der Strom Ib in beiden Fällen während der Zeitspannen t4–t6 bzw. t8–t9 über dem Sollwert Icm bleibt, obwohl andererseits die zeitlichen Verläufe von Ib stark voneinander abweichen. Bei Auftreten eines Stoßes (Zeitpunkt t4 in 3b und 4b) bewirkt die Verschiebung des beweglichen Kerns eine elektromotorische Kraft in der Spule und damit einen Anstieg des Stroms, obwohl der Transistor T1 außerhalb der Abtastintervalle gesperrt ist. Bei einer unzureichenden Regelung (ab t8 in 5b) nimmt der Strom Ib jedoch ab, sobald sich der Transistor 1 in einer Ausschaltphase befindet.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung wird ein Stoß detektiert, wenn während einer Ausschaltphase des Transistors T1 der Strom Ib über dem Sollwert Icm liegt und gleichzeitig der Strom Ib in der Spule ansteigt. Um einen solchen Anstieg zu detektieren, kann die Steuerschaltung 2 eine Größe bestimmen, die die Veränderung des Haltestroms in Abhängigkeit von der Zeit, dIb/dt abbildet. Ist diese Größe positiv, bedeutet dies, daß der Strom Ib ansteigt, und bei B = 0 außerhalb der Abtastintervalle und Ib > Icm wird dieser Anstieg so interpretiert, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kern stattgefunden hat, die eine Umschaltung in die Schaltphase erfordert.
Die in 1 und 2 gezeigte Betätigungseinrichtung umfaßt nur eine Spule, und gemäß 4a und 4b regelt die Steuerschaltung 2 den Strom in der Spule entweder, während einer Haltephase, auf den Wert Icm oder, während einer Schaltphase, auf den Wert Ica.
Die Erfindung ist ebenso anwendbar, wenn der Strom während der Schaltphase nicht geregelt wird. In diesem Fall bleibt der Transistor T1 während der gesamten Schaltphase im Durchlaßzustand (B = 1). Sie ist des weiteren auch anwendbar, wenn die Einrichtung eine doppelte Spulenanordnung umfaßt, bei der die Spule 1 als Haltespule dient und eine andere Spule die Schaltspule darstellt, die nur während der Schaltphase von einem, geregelten oder ungeregelten Strom durchflossen wird.
6 zeigt zusätzliche Komponenten einer Ausgestaltung mit doppelter Spulenanordnung. Hier ist eine Schaltspule 9 in Reihe mit einem Transistor T2 und einem Meßwiderstand R2 zwischen die Klemmen der Versorgungsspannung Va geschaltet. Parallel zur Schaltspule 9 ist eine Freilaufdiode D2 geschaltet. Die Steuerelektrode des Transistors T2 ist mit einem Ausgang S2 der Steuer- und Regelschaltung 2 verbunden. Soll der Strom in der Schaltspule 9 während der Schaltphase geregelt werden, ist der gemeinsame Anschlußpunkt von R2 und T2 mit einem Eingang E3 der Schaltung 2 verbunden.
Die Steuer- und Regelschaltung 2 kann in jeder geeigneten Form, z. B. als Analog- oder Digitalschaltung ausgeführt sein. Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung umfaßt sie einen Mikroprozessor, der mit einer Abtastperiodendauer Te die Abtastung der den Eingängen E2 und E3 zugeführten Signale, ihre Analog-Digital-Umwandlung, ihren Vergleich mit den Sollwerten Icm und Ica während der Haltephase bzw. der Schaltphase sowie die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 durchführt.
7 zeigt ein besonderes Unterprogramm einer Haltephase für die anhand der 4a und 4b beschriebene Variante der Erfindung, d. h. die Detektion eines Stoßes, wenn Ib über mindestens vier aufeinanderfolgende Abtastwerte einer Ausschaltphase des Transistors T1 (B = 0 außerhalb der Abtastintervalle) über Icm liegt.
Während eines ersten Initialisierungsschrittes F1 der Haltephase wird das Signal B auf 1 (Durchschalten des Transistors T1) und ein Indikator i auf null gesetzt. Anschließend schaltet der Mikroprozessor der Schaltung 2 weiter auf einen Schritt F2 zum Einlesen eines Abtastwerts Ib_i des in der Spule 1 fließenden Stroms. Ist B = 0, wird die Basis des Transistors T1 kurzzeitig mit einem Abtastimpuls Bi beaufschlagt, wobei sich der Wert von B im Verlauf des Programms nicht ändert. In einem Schritt F3 vergleicht der Mikroprozessor den Abtastwert Ib_i mit dem Sollwert Icm. Liegt Ib_i nicht über dem Sollwert (Ausgang NEIN in F3), springt der Mikroprozessor zurück zum Eingang von Schritt F1. Der Transistor T1 bleibt daher leitend, und der Strom Ib steigt weiter an. Dies ist z. B. zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 in 3b der Fall. Ist Ib_i in Schritt F3 jedoch größer als Icm (Ausgang JA in F3), überprüft der Mikroprozessor in einem Schritt F4, ob B = 1 ist. Ist B = 1 (Zeitpunkt t2 bzw. t3 in 3b), schaltet der Mikroprozessor weiter auf einen Schritt F5, wo B auf null gesetzt wird, und steuert den Übergang in eine Ausschaltphase des Transistors T1, bevor er zu Schritt F2 zurückkehrt. Bis hierher entspricht das beschriebene Unterprogramm einer Regelung des Stroms Ib auf den Wert Icm während der Haltephase. Ist in Schritt F4 der Wert B = 0 (Ausgang NEIN in F4), wird der Indikator in einem Schritt F6 erhöht (i = i + 1). In einem anschließenden Schritt F7 überprüft der Mikroprozessor, ob i = 4 ist. Ist dies nicht der Fall (Ausgang NEIN in F7), kehrt er an den Eingang von Schritt F2 zurück. Ist jedoch i = 4, bedeutet dies, daß während der Ausschaltphase des Transistors T1 vier aufeinanderfolgende Abtastwerte Ib_i über Icm lagen. Dies wird als Abbild eines unbeabsichtigten Stoßes interpretiert, der dazu geführt hat, daß der bewegliche Kern 6 des Elektromagneten begonnen hat sich zu verschieben. Der Mikroprozessor schaltet daraufhin weiter auf einen Schritt F8 entsprechend einer Schaltphase.
Die Anzahl der in Schritt F7 zugrunde gelegten Abtastwerte kann insbesondere in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz und der gewünschten Ansprechgeschwindigkeit verändert werden.
Die Anzahl der Abtastwerte über Icm bei B = 0 muß mindestens größer/gleich 2 ein. Dies entspricht mehr als zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten über Icm während der Haltephase, wobei der erste Abtastwert das Sperren des Transistors T1 bewirkt. Der Wert 4 ist ein Vorzugswert, der zufriedenstellende Ergebnisse bei einer aus einem 50- oder 60-Hz-Netz entnommenen, vollwellig gleichgerichteten Versorgungsspannung Va und einer Abtastperiodendauer im Bereich von einigen hundertstel Mikrosekunden liefert.
8 zeigt eine Variante des Unterprogramms aus 7, bei der als Entscheidungskriterium nicht mehr die Anzahl der aufeinanderfolgenden Abtastwerte über Icm, sondern die Änderungsrichtung des Haltestroms bei Ib > Icm während einer Ausschaltphase des Transistors T1 verwendet wird.
Das Unterprogramm für die Haltephase bleibt identisch bis zum Schritt F6. Bei der in 8 gezeigten Variante überprüft der Mikroprozessor nach F6 in einem Schritt F9, ob der Indikator i gößer/gleich 2 ist. Ist dies nicht der Fall (Ausgang NEIN in F9) und i = 1, d. h. wurde während der Ausschaltphase des Transistors T1 nur ein Abtastwert Ib_i über Icm gemessen, wird dieser Abtastwert in einem Schritt F10 an einem Speicherplatz Ib_i–1 (Ib_i–1 = Ib_i) gespeichert. Anschließend springt der Mikroprozessor an den Eingang von Schritt F2 zurück, um den nächsten Abtastwert Ib_i zu messen. Ist in Schritt F9 jedoch i größer/gleich 2 (Ausgang JA in F2), schaltet der Mikroprozessor weiter auf einen Schritt F11 zur Bestimmung einer Größe ΔIb = Ib_i – Ib_i–1. Die Größe ΔIb ist repräsentativ für die Änderungsrichtung des Stroms Ib nach dem Sperren des Transistors T1 zu Beginn der Ausschaltphase und insbesondere repräsentativ für den zeitlichen Verlauf des Haltestroms zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten in dieser Phase. Anschließend überprüft der Mikroprozessor in einem Schritt F12 das Vorzeichen von ΔIb. Ist die Größe ΔIb negativ oder null (Ausgang NEIN in F12), schaltet der Mikroprozessor zu Schritt F10 und speichert den letzten Abtastwert vor der Messung des nächsten. Ist jedoch in F12 die Größe ΔIb positiv (Ausgang JA in F12), der Strom also angestiegen, so folgert der Mikroprozessor, daß ein unbeabsichtigter Stoß stattgefunden hat, durch den der bewegliche Kern verschoben wurde, und schaltet in die Schaltphase (F8).
In der vorausgehenden Beschreibung basiert die Regelung auf einer periodischen Abtastung des Stroms Ib in der Spule.
Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar, wenn die Regelung wie nach dem oben beschriebenen bisherigen Stand der Technik durch Pulsbreitenmodulation (PWM) erfolgt. In diesem Fall arbeitet der Transistor T1 als Zerhacker mit einer festen Taktfrequenz und einem variablen Tastverhältnis. Während einer Periode Th entsprechend der Taktfrequenz wird der Transistor T1 über eine variable Zeitdauer Th1 (Th1 < Th) durchgeschaltet (B = 1). Die Zeitdauer Th1 hängt von der Differenz zwischen dem Meßwert des Stroms Ib und dem Sollwert (Icm während der Haltephase) ab. Stimmt der Strom mit dem Sollwert überein, nimmt die Durchlaßdauer Th1 einen bestimmten Wert Th1c entsprechend einem Solltastverhältnis von Nc = Th1c/Th an, das z. B. 0,5 beträgt. Liegt der Strom Ib in der Spule unter dem Sollwert Icm, nimmt die Durchlaßdauer Th1 zu und das Tastverhältnis N = Th1/Th wird demzufolge größer als Nc. Liegt der Strom Ib in der Spule über dem Sollwert, ist die Durchlaßdauer Th1 kleiner als Th1c und das Tastverhältnis N = Th1/Th demzufolge kleiner als Nc.
Zur Detektion einer unbeabsichtigten Verschiebung des beweglichen Kerns kann analog zu der anhand von 7 beschriebenen Ausgestaltung bestimmt werden, ob der Strom Ib während einer bestimmten Zeitdauer über dem Sollwert Icm bleibt. Hierzu vergleicht der Mikroprozessor 2 während jeder Zerhackungsperiode Th den Wert des Tastverhältnisses N mit dem Solltastverhältnis Nc. Bleibt während einer bestimmten Anzahl (mindestens 2, vorzugsweise 4) aufeinanderfolgender Takte N größer als Nc, folgert die Schaltung 2, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns stattgefunden hat und veranlaßt die Umschaltung in die Schaltphase.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung berücksichtigt die Schaltung 2 analog zu der anhand von 8 beschriebenen Ausgestaltung die Anderungsrichtung des Haltestroms wenn Ib > Icm ist. Hierzu vergleicht sie die aufeinanderfolgenden Tastverhältnisse bei N < Nc (Ib > Icm) und folgert, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns stattgefunden hat, wenn bei einem in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Takten unter Nc liegenden Tastverhältnis N dieses Tastverhältnis kleiner wird. Dies bedeutet nämlich, daß der Strom einerseits ansteigt und gleichzeitig über mehr als eine Zerhackungsperiode über dem Sollwert Icm liegt. Wie zuvor veranlaßt die Schaltung dann die Umschaltung in die Schaltphase.
In jedem Fall hängt die Detektion einer unbeabsichtigten Verschiebung des beweglichen Kerns während einer Haltephase von der Überwachung des Stroms in der Spule während einer Haltephase ab, und die Detektion einer solchen Verschiebung bewirkt die Umschaltung in die Schaltphase.

Claims

Anordnung mit einer Betätigungseinrichtung und einem Elektromagneten, welche Anordnung einen beweglichen Kern (6) umfaßt mit mindestens einer Schaltphase, in der der Elektromagnet mit einem Schaltbefehl beaufschlagt wird, und einer Haltephase, in der er mit einem, im Vergleich zum Schaltstrom niedrigeren Haltestrom beaufschlagt wird, und mindestens eine Spule (1) umfaßt, die in Reihe mit einem elektronischen Schalter (T1) an die Klemmen einer Versorgungsspannung (Va) angeschlossen ist, sowie Meßmittel zur Messung des in der Spule fließenden Stroms (Ib) und Steuermittel (2) zur Betätigung des Elektromagneten umfaßt, die mit den Strommeßmitteln (Ib) sowie einer Steuerelektrode des elektronischen Schalters (T1) verbunden sind und Regelmittel zur Regelung des in der Spule fließenden Stroms auf einen festgelegten Sollwert (Icm) in der Haltephase umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel Detektionsmittel umfassen, um während einer Haltephase eine unbeabsichtigte Verschiebung des beweglichen Kerns (6) des Elektromagneten in Abhängigkeit von dem in der Spule (1) fließenden Strom (Ib) zu detektieren, wenn der genannte Strom während der Haltephase über dem Sollwert (Icm) liegt, sowie Steuermittel umfassen, die bei Detektion einer unbeabsichtigten Verschiebung eine Umschaltung in die Schaltphase veranlassen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsmittel Mittel zur Detektion der Änderungsrichtung des in der Spule fließenden Stroms (Ib) umfassen, wobei eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn in der Haltephase der Strom (Ib) über dem Sollwert (Icm) liegt und gleichzeitig ansteigt.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Detektion der Änderungsrichtung des Stroms (Ib) Mittel zur Bestimmung einer Größe (ΔIb) umfassen, welche die Stromänderung in Abhängigkeit von der Zeit abbildet, wobei eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn in der Haltephase der Strom (Ib) über dem Sollwert (Icm) liegt und die genannte Größe positiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung durch die Detektionsmittel detektiert wird, wenn der Strom (Ib) in der Haltephase während einer festgelegten Zeitdauer über dem Sollwert (Icm) liegt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßmittel Mittel zur Abtastung des Stroms mit einer bestimmten Abtastperiodendauer (Te) umfassen, und daß eine unbeabsichtigte Verschiebung detektiert wird, wenn während der Haltephase zwei aufeinanderfolgende Abtastwerte (Ib_i) des Stroms über dem Sollwert (Icm) liegen.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung detektiert wird, wenn während der Haltephase mehr als vier aufeinanderfolgende Abtastwerte des Stroms über dem Sollwert (Icm) liegen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastperiodendauer (Te) im Bereich von einigen hundertstel Mikrosekunden liegt.
Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelmittel die Durchschaltung des elektronischen Schalters (T1) mit einer festen Zerhackungs-Periodendauer und einem, von der Differenz zwischen dem Wert des in der Spule fließenden Stroms (Ib) und dem Sollwert (Icm) abhängigen, variablen Tastverhältnis (N) steuern und die Detektionsmittel in jeder Zerhackungsperiode das Tastverhältnis (N) mit einem Solltastverhältnis (Nc) vergleichen.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn während einer Haltephase das Tastverhältnis (N) über mindestens zwei aufeinanderfolgende Zerhackungsperioden kleiner ist als das Solltastverhältnis (Nc).
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine unbeabsichtigte Verschiebung als detektiert gilt, wenn während einer Haltephase das Tastverhältnis (N) abnimmt und gleichzeitig über mindestens zwei aufeinanderfolgende Zerhackungsperioden kleiner ist als das Solltastverhältnis (Nc).