EP0140093A2 - Schütz mit Steuerstufe und Überstromauslöser - Google Patents

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EP0140093A2
EP0140093A2 EP84110871A EP84110871A EP0140093A2 EP 0140093 A2 EP0140093 A2 EP 0140093A2 EP 84110871 A EP84110871 A EP 84110871A EP 84110871 A EP84110871 A EP 84110871A EP 0140093 A2 EP0140093 A2 EP 0140093A2
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EP
European Patent Office
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contactor
current
power amplifier
switching stage
electronic switching
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EP84110871A
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EP0140093B1 (de
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Erich Huber
Anton Dipl.-Ing. Happach
Lutz Dipl.-Ing. Bergmann
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Schaltbau GmbH
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Schaltbau GmbH
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
    • H01H71/10—Operating or release mechanisms
    • H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
    • H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
    • H01H71/2445—Electromagnetic mechanisms using a reed switch

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for DC operation for contactors according to the preamble of claim 1.
  • the supply voltage supplying the contactor to the excitation coil in pulses via an electronic contactless switch or transistor during the pull-in and hold phase.
  • the frequency and / or duration of the pulses are determined by comparing a voltage proportional to the excitation current with a reference voltage.
  • the reference voltage is indicated for a period longer than the duration of the tightening phase from the value required for holding to or above the value required for tightening raised. This ensures that the contactor is securely tightened to save energy.
  • the time for raising the reference voltage can be ended by measuring and evaluating the change in the magnetic field that occurs in the vicinity of the air gap when it is closed.
  • this time period can also be determined by a timer, for example a monostable multivibrator with adjustable duration.
  • the invention is based on the object of specifying a circuit arrangement for direct current operation for contactors of the type mentioned, which additionally detects and switches off overcurrents in the load circuit of the contactor.
  • the contactor also performs the protective function of a current-limiting circuit breaker in addition to the usual function of switching on and off.
  • the same line can advantageously be used to control the electronic switching stage as to signal an overcurrent, i.e. the control input for the switching stage is also the signal output.
  • a positive pole 1 of a traction battery 2 is connected to first main contacts 3 of an electromagnetic contactor 4 via a first input terminal E1.
  • Second main contacts 5 of the contactor 4 are connected to the negative pole 6 of the battery 2 via a second input terminal E2.
  • the traction battery 2 emits, for example, a DC voltage of 96V.
  • a control and regulating device 7 is connected as a load via output terminals A1, A2, which feeds an armature winding 8 and a field winding 9 of a direct current shunt motor 10, which serves, for example, as a traction motor for an electric car.
  • the main contacts 3, 5 are controlled with the aid of an excitation coil 11 of the contactor 4.
  • the excitation coil 11 is fed by a power amplifier 12.
  • the power amplifier 12 is controlled via a modulator (transistor switching stage) 13.
  • the modulator 13 is connected to a control / signaling terminal 15 of the contactor via a series resistor 14.
  • the modulator 13 is further connected on the input side via a protective gas switch contact 16 to the control connection of a thyristor 17.
  • the thyristor 17 lies with its anode at the input of the modulator 13 and with its cathode at a connection terminal S2 of the contactor. With this terminal S2 is still the a supply connection of the power amplifier 13 is connected.
  • the other supply connection of the amplifier 12 is connected via a further terminal S1 of the contactor to the positive pole 18 of a control battery 19.
  • the negative pole 20 of this battery 19 is connected to the terminal S2 of the contactor.
  • the control battery 19 outputs, for example, a DC voltage of 12V.
  • a command transmitter 21 is arranged between the terminals between the pole 18 and the control / signaling terminal 15.
  • the command transmitter 21 can be designed with low power since only control signals or signal signals have to be processed, while the excitation coil 11 is driven in terms of power via the power amplifier 12.
  • the command transmitter 21 is additionally provided with a current detection device in order to detect an overcurrent trip of the contactor 4.
  • the control / signaling terminal 15 is acted upon by the command transmitter 21 with a control signal vcn, for example 12V.
  • vcn for example 12V.
  • the excitation coil 11 is briefly with by the first long pulse high power, which ensures that the contactor is securely tightened.
  • the excitation coil 11 only has to be supplied with reduced power, the ratio of pause times (eg 2 ms) to pulse times (eg 1 ms) of the "computing pulses" determining the holding current.
  • the positive control signal specified via the command transmitter 21 is switched off (OV potential at terminal 15), as a result of which the modulator 13 outputs the voltage A control of the power amplifier 12 serving "computing pulses" ended.
  • the switching contacts of the protective gas switching contact 16 arranged in the immediate vicinity of the leads E 1 -A 1 or E2-A2 will exceed a predefinable limit value Magnetic field closed.
  • the thyristor 17 is ignited through its gate connection and consequently the input of the electromagnetic control stage of the contactor is short-circuited.
  • a short-circuit current flows from the command transmitter 21 via the control / signaling terminal 15, the series resistor 14 and the thyristor 17 to the negative terminal S2.
  • the series resistor 14 essentially serves to determine and limit the short-circuit current.
  • the command transmitter 21 and the thyristor 17 can be designed with low power.
  • the electronic control stage of the contactor no longer has a positive control signal, which results in de-energization of the coil 11 and an opening of the main contacts 3, 5. As a result, the overcurrent is reduced and the contacts of the protective gas switch contact 16 open again.
  • the command transmitter 21 is provided with a current detection device.
  • This current detection device detects both the low control current flowing in normal operation and the increased short-circuit current occurring in the event of a fault. If the short-circuit current occurs, this is interpreted as a fault message for an overcurrent shutdown.
  • a thyristor 17 instead of a thyristor 17, other switching elements with a memory function can also be used in the event of a fault. Furthermore, a magnetic field-dependent field plate can also be used instead of the protective gas switch contact 16.
  • FIG. 2 shows a first variant of the circuit according to FIG. 1.
  • the contactor 4 has two separate windings instead of a single excitation coil 11, namely a high current winding 11A for pulling the relay (pull-in winding) and a low current winding 11H for holding the relay (holding winding).
  • the high-current winding-11A is fed by a first and the low-current winding 11H by a second power amplifier 12 A or 12H.
  • the power amplifier 12H is connected directly and the power amplifier 12 A is connected to the series resistor 14 via a modulator 13A (monoflop).
  • the power amplifiers 12 A , 12H are each connected to the poles 18, 20 of the control battery 19.
  • the rest of the circuit arrangement is as described under Fig. 1.
  • the positive control signal triggers the modulator 13A with its leading edge, which drives the power amplifier 12A for the pull-in winding 11A (high-current winding) during a predefinable pull-in time.
  • the power amplifier 12H for the holding winding 11H receives the control signal directly. After the starting time of the modulator 13A, the power amplifier 12A and thus the starting winding 11A are switched off since the low-current winding 11H is sufficient to maintain the holding phase.
  • the pull-in winding 11A is designed for a large current with only a short duty cycle, the winding wire can be dimensioned accordingly thin, so that the high-current winding 11A takes up only a small part of the available winding space. There is therefore sufficient space for the holding winding 11H to be designed for long-term operation.
  • FIG. 3 shows a second variant of the circuit according to FIG. 1.
  • a high current winding 11A and a low current winding 11H are provided.
  • the winding 11A is connected to a power amplifier 12A and the winding 11H is connected to a power amplifier 12H, the power amplifier 12A in turn being controlled directly via a modulator 13 A (monoflop) and the power amplifier 12H.
  • the two windings 11 A , 11H are connected in series.
  • the rest of the circuit arrangement is as described under Fig. 1.
  • the leading edge of the control signal triggers the modulator 13 A , which results in the activation of the power amplifier 12 A and thus the activation of the pickup winding 11A.
  • the holding winding 11H is switched on via the amplifier 12H.
  • the starting current is high Winding 11A and a low current across winding 11H.
  • the amplifier 12A is switched off and a holding current remains through the windings 11A, 11H which are in series.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)
  • Protection Of Generators And Motors (AREA)

Abstract

Bei dieser Schaltungsaanordnung zum Gleichstrombetrieb für Schütze wird die Speisespannung über einen mittels eines Modulators (13) ansteuerbaren Leistungsverstärker (12) impulsweise an die Erregerspule (11) des Schützes (4) gelegt, wobei während der Anzugsphase ein langer Impuls und während der Haltephase eine Serie kurzer Impulse hoher Frequenz vom Modulator (13) abgegeben werden. Zur Erfassung und Abschaltung von Überströmen im Lastkreis des Schützes ist ein Schutzgas-Schaltkontakt (16) vorgesehen, der einen den Steuereingang des Modulators (13) kurzschließenden Thyristor (17) durchzündet, falls das Magnetfeld des Laststromes einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Der dann über den Thyristor fließende Kurzschlußstrom wird mittels eines Vorwiderstandes (14) begrenzt und steht auch nach Abfall des Schützes als Meldesignal zur Verfügung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Gleichstrombetrieb für Schütze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine solche Schaltungsanordnung zum Gleichstrembetrieb für Schütze ist aus der DE-OS 25 13 043 bekannt.
  • Dort wird zur maximalen Einsparung von Energie vorgeschlagen, während der Anzugs- und Haltephase die das Schütz versorgende Speisespannung über einen elektronischen kontaktlosen Schalter oder Transistor impulsweise an die Erregerspule zu legen. Frequenz und/oder Dauer der Impulse werden durch Vergleich einer dem Erregerstrom proportionalen Spannung mit einer Referenzspannung bestimmt. Mit dem Einschalten des Erregerstromes wird die Referenzspannung für eine Zeit länger als die Dauer der Anzugsphase von dem zum Halten erforderlichen Wert auf oder über den zum Anziehen erforderlichen Wert angehoben. Damit wird energiesparend ein sicheres Anziehen des Schützes gewährleistet. Die Zeit des Anhebens der Referenzspannung kann durch Messen und Auswerten der beim Schließen des Luftspaltes in dessen Umgebung auftretenden Änderung des magnetischen Feldes beendet werden. Wahlweise kann diese Zeitspanne auch durch ein Zeitglied, z.B. einen monostabilen Multivibrator einstellbarer Laufdauer bestimmt werden.
  • Der Erfindung liegt davon ausgehend, die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Gleichstrombetrieb für Schütze der eingangs genannten Art anzugeben, die zusätzlich Überströme im Lastkreis des Schützes erfaßt und abschaltet.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß das Schütz neben der üblichen Funktion des Zu- und Abschaltens auch die Schutzfunktion eines strombegrenzenden Sicherungsautomaten ausübt. Zur Ansteuerung der elektronischen Schaltstufe wie zur Störmeldung eines Überstromes ist vorteilhaft die gleiche Leitung verwendbar, d.h. der Steuereingang für die Schaltstufe ist gleichzeitig Meldeausgang.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 eine Schaltung für ein elektromagnetisches Schütz mit Steuerstufe,
  • In Fig. 1 ist eine Schaltung für ein elektromagnetisches Schütz mit Steuerstufe und Überstromauslösung dargestellt, das beispielsweise zur Ankopplung eines elektrischen Fahrmotors mit Regeleinrichtung an eine Fahrbatterie dient. Ein positiver Pol 1 einer Fahrbatterie 2 ist über eine erste Eingangsklemme E1 mit ersten Hauptkontakten 3 eines elektromagnetischen Schützes 4 verbunden. Zweite Hauptkontakte 5 des Schützes 4 liegen über einer zweiten Eingangsklemme E2 am negativen Pol 6 der Batterie 2. Die Fahrbatterie 2 gibt dabei beispielsweise eine Gleichspannung von 96V ab.
  • An die Hauptkontakte 3,5 des Schützes 4 ist über Ausgangsklemmen A1,A2 eine Steuer- und Regeleinrichtung 7 als Last angeschlossen, die eine Ankerwicklung 8 und eine Feldwicklung 9 eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors 10 speist, der beispielsweise als Fahrmotor für ein Elektroauto dient.
  • Die Hauptkontakte 3,5 werden mit Hilfe einer Erregerspule 11 des Schützes 4 angesteuert. Die Erregerspule 11 wird von einem Leistungsverstärker 12 gespeist. Die Ansteuerung des Leistungsverstärkers 12 erfolgt über einen Modulator (Transistorschaltstufe) 13. Eingangsseitig ist der Modulator 13 über einen Vorwiderstand 14 mit einer Steuer/Meldeklemme 15 des Schützes verbunden.
  • Der Modulator 13 ist eingangsseitig desweiteren über einen Schutzgas-Schaltkontakt 16 an den Steueranschluß eines- Thyristors 17 angeschlossen. Der Thyristor 17 liegt mit seiner Anode am Eingang des Modulators 13 und mit seiner Kathode an einer Anschlußklemme S2 des Schützes. Mit dieser Anschlußklemme S2 ist weiterhin der eine Versorgungsanschluß des Leistungsverstärkers 13 verbunden. Der andere Versorgungsanschluß des Verstärkers 12 liegt über einer weiteren Anschlußklemme S1 des Schützes am positiven Pol 18 einer Steuerbatterie 19. Der negative Pol 20 dieser Batterie 19 ist an die Klemme S2 des Schützes angeschlossen. Die Steuerbatterie 19 gibt beispielsweise eine Gleichspannung von 12V ab.
  • Zur Betätigung des Schützes 4 ist ein Kommandogeber 21 zwischen den Anschlußklemmen zwischen Pol 18 und Steuer/Meldeklemme 15 angeordnet. Der Kommandogeber 21 kann leistungsschwach ausgelegt werden, da lediglich Steuersignale bzw. Meldesignale zu verarbeiten sind, während die leistungsmäßige Ansteuerung der Erregerspule 11 über den Leistungsverstärker 12 erfolgt. Der Kommandogeber 21 ist zusätzlich mit einer Stromerfassungseinrichtung versehen, um eine Überstromauslösung des Schützes 4 zu erkennen.
  • Zum Schließen der Hauptkontakte 3, 5 des Schützes 4 und damit zum Zuschalten des Motors 10 mit Steuer- und Regeleinrichtung 7 wird die Steuer/Meldekleme 15 über den Kommandogeber 21 mit einem Steuersignal vcn beispielsweise 12V beaufschlagt. Nach Vorliegen dieses Steuersignals'liefert der Modulator 13 zunächst einen langen Impuls für die Anzugsdauer des Schützes und anschließend "Rechenimpulse" für die Haltedacer mit einer Frequenz von beispielsweise 333 Hz an den Leisturgsverstärker 12. Durch den ersten langen Impuls wird die Erregerspule 11 kurzzeitig mit einer hohen Leistung beaufschlagt, was ein sicheres Anziehen des Schützes gewährleistet. Während der Haltedauer muß die Erregerspule 11 lediglich mit reduzierter Leistung gespeist werden, wobei das Verhältnis von Pausezeiten (z.B. 2ms) zu Impulszeiten (z.B. 1ms) der "Rechenimpulse" den Haltestrom bestimmt.
  • Zum Öffnen der Hauptkontakte 3,5 des Schutzes 4 und aamit zum Abschalten des Motors 10 mit Steuer- und Regeleinrichtung 7 wird das über den Kommandogeber 21 vorgegebene positive Steuersignal abgeschaltet (OV-Potential an Klemme 15), wodurch der Modulator 13 die Abgabe der zur Ansteurung des Leistungsverstärkers 12 dienenden "Rechenimpulse" beendet.
  • Bei Auftreten eines Überstromes im Lastkreis, beispielsweise hervorgerufen durch einen Fehler im Motor 10 oder in der Einrichtung 7 werden die Schaltkontakte des in unmittelbarer Nähe der Zuleitungen E1-A1 bzw. E2-A2 angeordneten Schutzgas-Schaltkontakts 16 infolge des einen vorgebbaren Grenzwert überschreitenden Magnetfeldes geschlossen. Hierdurch wird der Thyristor 17 über seinen Gate-Anschluß durchgezündet und folglich der Eingang der elektromagnetischen Steuerstufe des Schützes kurzgeschlossen. Es fließt ein Kurzschlußstrom vom Kommandogeber 21 über die Steuer/Meldeklemme 15, den Vorwiderstand 14 und den Thyristor 17 zur negativen Anschlußklemme S2. Der Vorwiderstand 14 dient im wesentlichen zur Festlegung und Begrenzung des Kurzschlußstromes Hierdurch können Kommandogeber 21 und Thyristor 17 leistungsschwach ausgebildet sein.
  • Nach erfolgter Durchzündung des Thyristors 17 liegt der elektronischen Steuerstufe des Schützes kein positives Steuersignal mehr an, was eine Entregung der Spule 11 und ein Öffnen der Hauptkontakte 3,5 zur Folge hat. Dadurch wird der Überstrom abgebaut und die Kontakte des Schutzgas-Schaltkontaktes 16 öffnen wieder.
  • Der Thyristor 17 bleibt jedoch weiterhin durchgesteuert, wodurch eine "gespeicherte" Fehlermeldung auch nach Abklingen des Überstromes möglich ist. Zur Fehlererkennung und -meldung ist der Kommandogeber 21 mit einer Stromerfassungseinrichtung versehen. Diese Stromerfassungseinrichtung erfaßt gleichermaßen den im normalen Betriebsfall fließenden geringen Steuerstrom wie den im Fehlerfall auftretenden erhöhten Kurzschlußstrom. Bei Auftreten des Kurzschlußstromes wird dies als Störungsmeldung für eine Überstromabschaltung interpretiert. Durch geeignete Bemessung des Widerstandes 14 ist es möglich, den Eingangsstrom an Klemme 15 bei gezündetem Thyristor 17 auf ein Vielfaches des normalen Eingangsstromes ansteigen zu lassen.
  • Anstelle eines Thyristors 17 sind auch andere Schaltelemente mit Speicherfunktion im Fehlerfall einsetzbar. Ferner kann auch eine magnetfeldabhängige Feldplatte anstelle des Schutzgas-Schaltkontaktes 16 Verwendung finden.
  • In Fig. 2 ist eine erste Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Das Schütz 4 weist dabei zwei -getrennte Wicklungen anstelle einer einzigen Erregerspule 11 auf, und zwar eine Hochstromwicklung 11A zum Anziehen des Relais (Anzugswicklung) und eine Niederstromwicklung 11H zum Halten des Relais (Haltewicklung). Die Hochstromwicklung-11A wird von einem ersten bzw. die Niederstromwicklung 11H von einem zweiten Leistungsverstärker 12A bzw. 12H gespeist. Der Leistungsverstärker 12H ist direkt und der Leistungsverstärker 12A über einen Modulator 13A (Monoflop) an den Vorwiderstand 14 angeschlossen. Die Leistungsverstärker 12A, 12H sind jeweils mit den Polen 18,20 der Steuerbatterie 19 verbunden. Die übrige Schaltungsanordnung ist wie unter Fig. 1 beschrieben.
  • Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 triggert das positive Steuersignal mit seiner Vorderflanke den Modulator 13A, der den Leistungsverstärker 12A für die Anzugswicklung 11A (Hochstromwicklung) während einer vorgebbaren Anzugszeit ansteuert. Der Leistungsverstärker 12H für die Haltewicklung 11H erhält das Steuersignal direkt. Nach Ablauf der Anzugszeit des Modulators 13A werden Leistungsverstärker 12A und damit Anzugswicklung 11A abgeschaltet, da die Niederstromwicklung 11H allein zur Aufrechterhaltung der Haltephase ausreicht.
  • Da die Anzugswicklung 11A für einen großen Strom bei nur kurzer Einschaltdauer auszulegen ist, kann der Wicklungsdraht entsprechend dünn bemessen werden, so daß die Hochstromwicklung 11A nur einen kleinen Teil des zur Verfügung stehenden Wicklungsraumes einnimmt. Es bleibt somit genügend Raum für die für Langzeitbetrieb auszulegende Haltewicklung 11H.
  • In Fig. 3 ist eine zweite Variante zur Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt. Es sind, wie unter Fig. 2 beschrieben, eine Hochstromwicklung 11A und eine Niederstromwicklung 11H vorgesehen. Die Wicklung 11A ist mit einem Leistungsverstärker 12A und die Wicklung 11H mit einem Leistungsverstärker 12H beschaltet, wobei der Leistungsverstärker 12A wiederum über einen Modulator 13A (Monoflop) sowie der Leistungsverstärker 12H direkt angesteuert werden. Im Unterschied zur Variante gemäß Fig. 2 sind die beiden Wicklungen 11A, 11H in Reihe geschaltet. Die übrige Schaltungsanordnung ist wie unter Fig. 1 beschrieben.
  • Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 triggert die Vorderflanke des Steuersignals den Modulator 13A, was die Ansteuerung des Leistungsverstärkers 12A und damit das Einschalten der Anzugswicklung 11A zur Folge hat. Gleichzeitig wird auch die Haltewicklung 11H über den Verstärker 12H eingeschaltet. Es ergibt sich ein hoher Anzugsstrom über Wicklung 11A und ein geringer Strom über Wicklung 11H. Nach Ablauf der Anzugszeit des Modulators 13A wird der Verstärker 12A abgeschaltet und es verbleibt ein Haltestrom durch die in Serie liegenden Wicklungen 11A, 11H.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Gleichstrombetrieb für Schütze, wobei die Steuerspannung über eine kontaktlose elektronische Schaltstufe an die Erregerspule des Schützes gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung zur elektronischen Schaltstufe (1'2,13) mittels eines Thyristors (17) kurzschließbar ist, wobei der Thyristor (17) über einen vom Magnetfeld des Stromes im Lastkreis schaltbaren Schutzgas-Schaltkontakt (16) ansteuerbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang (15) des Schützes zugleich als Meldeausgang zur Überstrommeldung des Laststromes dient.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung zur elektronischen Schaltstufe (12,13) mit einem Kommandogeber (21) beschaltet ist, wobei der Kommandogeber zur Störmeldung eine Stromerfassungseinrichtung aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der verstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltstufe aus einem Leistungsverstärker (12) mit vorgeschaltetem Modulator (13) besteht.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufteilung der Erregerspule (11) in eine Anzugswicklung (11A) und eine Haltewicklung (11H) die Anzugswicklung (11A) über einen Leistungsverstärker (12A) mit vorgeschaltetem Monoflop (13A) und die Haltewicklung (11H) lediglich über einen Leistungsverstärker (12H) speisbar sind.
EP19840110871 1983-09-20 1984-09-12 Schütz mit Steuerstufe und Überstromauslöser Expired EP0140093B1 (de)

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