EP1923986B1 - Wechselstromsteller für elektromagnetische schaltgeräte - Google Patents

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EP1923986B1
EP1923986B1 EP07117334.8A EP07117334A EP1923986B1 EP 1923986 B1 EP1923986 B1 EP 1923986B1 EP 07117334 A EP07117334 A EP 07117334A EP 1923986 B1 EP1923986 B1 EP 1923986B1
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EP
European Patent Office
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voltage
alternating current
time function
power controller
drive
Prior art date
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Active
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EP07117334.8A
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French (fr)
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EP1923986A3 (de
EP1923986A2 (de
Inventor
Gerd Schmitz
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Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Original Assignee
Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Eaton Electrical IP GmbH and Co KG filed Critical Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Priority to PL07117334T priority Critical patent/PL1923986T3/pl
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Publication of EP1923986A3 publication Critical patent/EP1923986A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • 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
    • H01H47/36—Relay coil or coils forming part of a bridge circuit

Definitions

  • the present invention relates to a device for operating an electromagnetic drive of a switching device.
  • the publication DE 101 50 752 A1 discloses a valve driver for actuating a valve from a basic setting to a working position, or vice versa, comprising a valve spool which, upon supply of electrical energy, moves the valve from the home position to a working position Working position moves, and a switching device which connects the valve spool with an electric power source and separated from such.
  • the power supply to the valve coil can be controlled by a pulse width modulation (PWM) with a switching transistor.
  • PWM pulse width modulation
  • the invention is based on the object to provide a device for operating an electromagnetic drive of a switching device, which allows an efficient and inexpensive to implement influencing the closing speed of the drive, wherein the holding power is lowered without an electronic method and which also for use high alternating voltages is suitable.
  • a device for operating an electromagnetic drive of a switching device comprising an AC power controller for operating the electromagnetic drive and comprises means for driving the AC power controller with a time function, and the AC power converter has two antiseries switched transistors, characterized in that the time function is an exponential function, that the means for driving the AC-controller comprises an RC-element and the device comprises negative feedback resistors for balancing the two transistors, the negative feedback resistors also being used to adjust the time function.
  • the electromagnetic drive can represent, for example, an electromagnetic drive for one or more contactors or for one or more relays or for other switching devices.
  • the electromagnetic drive may comprise at least one drive coil, at least one magnetic core and at least one magnet armature.
  • the electromagnetic drive is operated by an alternating current or an alternating voltage, wherein the alternating current or the alternating voltage can be influenced by the alternating current controller.
  • the electromagnetic drive can be controlled or regulated via the AC power controller, e.g. for switching on the electromagnetic drive, and / or for holding the electromagnetic drive and / or for switching off the electromagnetic drive.
  • the dynamics of the electromagnetic drive e.g. the turn-on dynamics and / or the turn-off dynamics, which are influenced by the AC power controller.
  • the AC power controller may e.g. be controlled by means of a control or regulation, the AC-control device e.g. can be controlled at a power-up and / or a shutdown with a defined time function.
  • the AC power controller can be connected, for example, in series with the electric drive, and this series circuit comprising the AC power controller and the electric drive can be connected in parallel with an AC voltage source for supplying the electric drive.
  • the AC power controller affect the current through the at least one drive coil of the electromagnetic drive.
  • the closing speed of the electromagnetic drive in the nominal voltage range can be set by the AC controller to a preferred value, so that the mechanical shock load and the contact bounce of the switching device can be reduced and thus the mechanical and the electrical life can be extended.
  • the switching device represents one or more contactors with at least one auxiliary switch, then the closing speed can be adjusted, for example, by means of the AC current controller such that the overfeed of the at least one auxiliary switch does not fall below a minimum value.
  • the device according to the invention has the further advantage that the electromagnetic drive is operated with alternating current and thus, for example, by the path-dependent change in the inductance of the at least one drive coil, the inductive reactance of the at least one coil and thus the excitation power can be influenced.
  • the tightening current and / or the holding current of the at least one drive coil can be tuned to a desired desired value.
  • no electronic lowering of the holding current is required, whereby a cost-effective implementation of the device according to the invention can be achieved.
  • the alternating current controller may, for example, at least one semiconductor device such as TRIAC, thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate - Commutated Thyristor) or transistor include, and / or comprise at least one electron tube.
  • the term alternating current controller comprises all devices with which an alternating current can be controlled or set, for example as a function of a control signal such as a control voltage or the like.
  • the means for controlling the alternating current controller with a time function can be realized for example by a microcontroller, and / or a DSP and / or another electronic or electrical circuit.
  • the means for driving the AC-controller may output a control signal for driving the AC-power controller according to the time function, e.g. a control voltage.
  • an exciter current can be controlled by the at least one drive coil of the switching device.
  • the time function can be used to control the AC actuator during a switch-on of the electric drive for the switching device, so that by the time function, the turn-on of the electromagnetic drive can be specified.
  • the means for controlling the AC actuator can be coupled to the AC voltage for supplying the magnetic drive, so that upon application of this AC voltage, such as when switching on the magnetic drive, the time function for the switch-on is started automatically and the AC power controller is controlled according to the time function.
  • the means for controlling the AC actuator for example, also be supplied with the AC voltage for supplying the magnetic drive, for example, by means of a rectifier from this AC voltage, a DC voltage to supply the means for controlling the AC power controller and thus also to supply the AC power controller can be generated.
  • the time function for the control during the switch-on for example, be chosen so that the AC controller initially only controls a small current through the at least one coil of the electric drive and steadily increases this current, so that the dynamics of the drive can be adapted to the requirements of the switching device.
  • the alternating-current controller can be full-drive, for example, so that the current limitation of the at least one drive coil is effected solely by the impedance of the at least one drive coil.
  • further impedances or resistors in addition to the impedance of the at least one drive coil can be used for current limiting.
  • time function can also be used optionally for controlling the AC power controller during a switch-off operation of the electric drive for the switching device.
  • An embodiment of the invention provides that the time function activates the alternating current controller during a switch-on process.
  • An embodiment of the invention provides that the time function represents an exponential function.
  • the exponential function to drive the AC regulator during the turn-on process can provide a very good compromise between a short delay time, i. a large initial slope, and a natural increase in excitation.
  • the exponential time function can be preset during a switch-on process by the RC element.
  • the realization of the time function by means of the RC element represents a particularly cost-effective implementation.
  • the RC element may be considered as a two-port with a turn-on voltage applied to the input port, e.g. by the rectifier described above or by another voltage source, so that an exponential rising output voltage is present at the output gate, with which the alternating current controller is driven.
  • An embodiment of the invention provides that the AC power controller comprises at least one semiconductor device.
  • the AC power controller may include at least one semiconductor device, such as a semiconductor device.
  • TRIAC thyristor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • IGCT Integrated Gate - Commutated Thyristor
  • transistor include.
  • the control of the at least one semiconductor device comprehensive AC actuator can be done for example with the previously described means for driving the AC power controller with a time function, or else by another predetermined control voltage or another predetermined control current.
  • the two anti-serially connected transistors can form a series circuit, for example, with the at least one drive coil of the electromagnetic drive.
  • these two transistors may be two field effect transistors, such as e.g. two MOSFETs, the two transistors can also be two IGBTs or other suitable transistors.
  • the two anti-serially connected transistors can be fully turned on, for example, after a switch-on, so that the current limit of the at least one drive coil, for example, solely by the impedance of the at least one drive coil.
  • further impedances or resistors in addition to the impedance of the at least one drive coil can be used for current limiting.
  • the two anti-serially connected transistors can, for example, linearly control excess energy and as Dissipate heat loss, this is especially true in a switch-on and / or a shutdown of the electromagnetic drive.
  • the two anti-serially connected transistors can each be operated with negative feedback in an emitter circuit (in the case of bipolar transistors) or in a source circuit (in the case of field effect transistors), independence from critical transistor parameters being able to be achieved by the negative feedback resistors.
  • the two anti-serially connected transistors can each represent a voltage-controlled current source, wherein each of the current sources has a negative feedback resistor for current negative feedback.
  • An embodiment of the invention provides that the two anti-serially connected transistors are two MOSFET transistors.
  • An embodiment of the invention provides that the device comprises two diodes which, together with the integrated body diodes of the MOSFET transistors, constitute a bridge rectifier for generating a supply voltage for driving the AC current regulator.
  • n-channel MOSFETs such as enhancement type n-channel MOSFETS
  • the body diode integrated between the terminal of the p-doped substrate and the drain can be used for the rectification
  • the supply voltage built up by the bridge rectifier can be used, for example, directly for driving the AC power controller, or means for driving the AC power controller can be connected with a time function between the output of the bridge rectifier and the AC power controller.
  • the aforementioned explanations and advantages with regard to the means for controlling the AC power controller apply equally to this embodiment of the invention.
  • an RC element may be placed between the output of the bridge rectifier and the AC power controller so that the AC power controller can be driven with a defined exponential time function.
  • a voltage limiting element such as e.g. a Z-diode or zener diode operated in the breakdown direction, for limiting the voltage of the rectified voltage.
  • filter means for smoothing the rectified voltage may be present at the output of the rectifier, e.g. at least one capacitor or other filtering means.
  • An embodiment of the invention provides that the device is a rectifier for generating a Supply voltage for controlling the AC actuator comprises.
  • the device can thus also comprise a separate rectifier, wherein this rectifier can be realized for example by a half-wave rectifier, or a bridge rectifier or other rectifier circuit.
  • the supply voltage built up by the rectifier can be used, for example, directly for driving the AC adjuster, or means for driving the AC adjuster can be connected with a time function between the output of the bridge rectifier and the AC power controller.
  • the explanations and advantages with regard to the rectifier, the optional means for controlling the AC-current regulator with a time function, and optional connections of the output of the rectifier, such as e.g. Voltage limiting and / or filtering means apply equally to the separate rectifier.
  • An embodiment of the invention provides that the rectifier is supplied with the AC voltage for operating the electromagnetic drive.
  • the AC power is automatically supplied with a control voltage when the AC drive, an AC voltage, for example, to turn it on, is applied.
  • the above-explained means for driving the AC actuator are connected with a time function between rectifier and AC converter, then when this AC voltage is applied to drive the drive, such as e.g. when the magnetic drive is switched on, the time function for the switch-on process is automatically started and the AC converter is activated according to the time function.
  • An embodiment of the invention provides that the alternating current controller during a switch-on abregelelt an excess power linear.
  • the AC power controller comprises two electronic switching elements, such as e.g. Transistors, so these excess power or energy linearly abregel and dissipate as heat loss.
  • An embodiment of the invention provides that the device comprises means for overvoltage protection.
  • overvoltage protection means may be connected in parallel to the AC power controller, for example for the protection of the electronic switching elements of the AC power controller such as transistors.
  • these electronic switching elements can thus be protected against switch-off peaks of the at least one drive coil when switching off.
  • This overvoltage protection means in parallel with the AC controller can be realized for example by a varistor.
  • overvoltage protection means may also be provided at the circuit input, to which e.g. the input AC voltage is applied, in which case also e.g. a varistor can be used.
  • these overvoltage protection means placed on the circuit input can protect the electronic switching elements of the AC actuator, such as e.g. when switching off Abschaltspitzen the at least one drive coil when switching off.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the device according to the invention for operating an electromagnetic drive of a Switching device, wherein the electromagnetic drive is operated with an AC power controller 120.
  • the electromagnetic drive can represent, for example, an electromagnetic drive for one or more contactors, or for one or more relays or for other switching devices.
  • the electromagnetic drive comprises at least one drive coil 110, and may comprise at least one magnetic core and at least one magnet armature (not in FIG Fig. 1 shown).
  • the at least one drive coil 110 is connected in series with the alternating current controller 120, wherein an alternating voltage U e can be applied to this series connection.
  • This alternating voltage U e thus serves as a supply voltage for the at least one drive coil 110, wherein the alternating current flowing through the at least one drive coil can be influenced by the alternating current controller 120.
  • the alternating current controller 120 can influence the current flowing through the at least one drive coil 110 such that it is below a first threshold value, so that the magnetic drive opens, and the alternating current controller 120 can, for example, in a second state through the influence at least one drive coil 110 flowing current such that it is above a second threshold, so that the magnetic drive closes.
  • the AC power converter can control the current through the at least one drive coil 110 during a closing operation of the electromagnetic drive, ie at Transition from the first to the second state, targeted control, so that the turn-on dynamics of the electromagnetic drive can be influenced.
  • the closing speed of the electromagnetic drive in the nominal voltage range can be set to a preferred value, so that, for example, the mechanical shock load and the contact bounce of the switching device can be reduced and thus the mechanical and the electrical life can be extended.
  • the switching device represents one or more contactors with at least one auxiliary switch
  • the closing speed can also be adjusted by controlling the current during the switch-on process, for example by means of the alternating current controller, so that the overshoot of the at least one auxiliary switch does not fall below a minimum value.
  • the turn-off dynamics of the electromagnetic drive are affected.
  • the Einschaltdynamik and / or turn-off dynamics of an electric drive for a switching device can be influenced in a simple manner.
  • the inventive device has the further advantage that the electromagnetic drive is operated with alternating current and thus, for example, by the path-dependent change in the inductance of the at least one drive coil of the inductive reactance of the at least one coil and so that the excitation power can be influenced.
  • the tightening current and / or the holding current of the at least one drive coil can be tuned to a desired desired value.
  • no electronic lowering of the holding current is required, whereby a cost-effective implementation of the device according to the invention can be achieved.
  • the AC power controller 120 may include, for example, at least one semiconductor switching element, such as a semiconductor device.
  • TRIAC, thyristor, IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate - Commutated Thyristor) or transistor include, and / or comprise at least one electron tube.
  • the term AC regulator includes all devices with which an AC can be controlled, e.g. in response to a control signal, e.g. a control voltage or the like.
  • the alternating current controller 120 can be controlled, for example, via the alternating voltage U e , so that, for example, when the alternating voltage U e is switched on, the alternating current controller 120 controls the current through the at least one drive coil 110 according to a predefined switch-on characteristic.
  • the alternating current controller 120 can also be controlled or regulated otherwise, for example by a microcontroller or the like.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the device according to the invention for operating an electromagnetic drive of a switching device, wherein the electromagnetic drive is operated with an AC power controller 220.
  • the at least one drive coil 110 is connected in series with the alternating current controller 220, wherein an alternating voltage U e can be applied to this series connection.
  • This alternating voltage U e thus serves as a supply voltage for the at least one drive coil 110, wherein the alternating current flowing through the at least one drive coil can be influenced by the alternating current controller 120.
  • the device for operating an electromagnetic drive comprises means for controlling the AC actuator 220 with a time function 240, and optionally a rectifier 230 and optionally means for overvoltage protection 250, 260.
  • the means for controlling the alternating current controller 220 with a time function 240 can be realized for example by a microcontroller, and / or a DSP and / or another electronic or electrical circuit. With the aid of this time function, the alternating current controller 220 can For example, control the excitation current through the at least one drive coil 110 as a function of time in accordance with the predetermined time function.
  • the means for driving the AC regulator 220 with a time function 240 may output a control voltage for controlling the AC regulator in response to the time function.
  • this time function can be used to control the AC power controller during a switch-on of the electric drive, so that the turn-on dynamics of the electromagnetic drive can be specified by the time function.
  • the means for controlling the alternating current controller 220 with a time function 240 can also be coupled with alternating voltage U e for supplying the magnetic drive, such as in FIG Fig. 2 via the rectifier 230, so that the alternating voltage U e can also act as a control voltage for the means for controlling the alternating current controller 220 with a time function 240.
  • alternating voltage U e for supplying the magnetic drive
  • the alternating voltage U e can also act as a control voltage for the means for controlling the alternating current controller 220 with a time function 240.
  • the means for controlling the alternating current controller 220 with a time function 240 can thus output, for example, a definedly increasing control voltage as a function of the time function during the switch-on operation to the alternating current controller 220.
  • This time function during the switch-on can be realized for example by an exponential function.
  • a rectifier 230 can generate from the alternating voltage U e a DC supply voltage with which the means for controlling the AC current regulator 220 are supplied with a time function 240.
  • the means for controlling the AC actuator 220 with a time function 240 can be automatically turned on when the AC voltage U e , for example, to turn on the electric drive, applied, so that, for example, as previously described thereby automatically the AC power controller 220 according to a predetermined time function during of the switch-on can be controlled.
  • the rectifier 230 can be realized for example by a half-wave rectifier, or a bridge rectifier or other rectifier circuit.
  • a voltage limiting element such as a voltage limiting element, may be used.
  • a Z-diode or zener diode operated in the breakdown direction for limiting the voltage of the rectified voltage.
  • filter means for smoothing the rectified voltage may be present at the output of the rectifier 230, e.g. at least one capacitor or other filtering means.
  • the means for controlling the AC actuator 220 with a time function 240 may comprise, for example, an RC element.
  • an alternating voltage U e is applied to turn on the magnetic drive
  • the output of the rectifier 230 is accordingly a rectified turn-on, which in turn can be applied to the input of the RC element, so that at the output of the RC element, an exponentially increasing output voltage is output, can be controlled with the AC power controller 220 during the switch-on. From a certain output voltage level of the RC element of the AC controller 220 controls fully and thus switches to the second state described above.
  • Another advantage arises from the fact that the overlapping of the time function of the drive circuit to the inherent time constant of the at least one exciter coil 110 almost completely avoids the formation of a DC component dependent on turn-on angle. As a result, synchronization effects on the phase position of the control voltage are completely avoided.
  • overvoltage protection means 250, 260 include.
  • overvoltage protection means 260 may be connected directly in parallel with the alternating current controller 220, for example to protect the electronic switching elements of the AC power controller, such as transistors. For example, thus, these electronic switching elements can be protected against shutdown peaks of the at least one drive coil 110 when switching off.
  • These overvoltage protection means 260 directly parallel to the AC power converter 220 can be realized for example by a varistor.
  • overvoltage protection means 250 can also be placed at the circuit input, whereby, for example, a varistor can also be used here.
  • These overvoltage protection means 250 placed at the circuit input can also be the electronic ones Protect switching elements of the AC controller 220, for example, when switching off Abschaltspitzen the at least one drive coil 110 when switching off.
  • the inverter 230, the means for driving the AC actuator 220 with a time function 240 and the AC controller 220 in the FIG. 2 can fuse together in terms of circuitry, so that, for example, transistors of the AC actuator 220 are used simultaneously as diodes for the rectifier 230 with.
  • transistors of the AC actuator 220 are used simultaneously as diodes for the rectifier 230 with.
  • antiseries MOSFET transistors are used for the AC controller 220, for example, the integrated body diodes of these MOSFET transistors together with two other diodes, a bridge rectifier for generating a supply voltage for the means for controlling the AC actuator 220 with a time function 240 and thus for driving of the AC actuator 220.
  • FIG. 3 shows a detailed representation of a third embodiment of the device according to the invention for operating an electromagnetic drive of a switching device.
  • the alternating current controller 320 which is connected in series with the at least one drive coil 310 of the magnetic drive, comprises the two anti-serially connected MOSFET transistors V4 and V5.
  • the control of the transistors V4 and V5 takes place from a supply voltage consisting of the diodes V1, V2 and V3, the Resistors R2 and R3 and not in Fig. 3 drawn body diodes of the transistors V4 and V5 is constructed.
  • the diodes V1 and V2 together with the body diodes of the transistors V4 and V5 form a bridge rectifier whose negative pole is applied to the junction of the resistors R9 and R10.
  • the series resistors R2 and R3 may be formed high impedance and thus serve to limit the supply current.
  • the diode V3, which may be a zener diode operates in the breakdown direction and limits the output voltage of the bridge rectifier.
  • the output voltage of the bridge rectifier can be low-pass filtered by filter means, ie, for example, the capacitor C1, and thus be smoothed, in particular during the zero crossings of the alternating voltage U e .
  • the in Fig. 3 illustrated apparatus means for driving the AC actuator 320 with a time function 340, which comprises a resistor R5 and a capacitor C2 comprehensive RC element.
  • This RC element is fed with the smoothed by the capacitor C1 output voltage of the bridge rectifier.
  • an alternating current voltage U e thus the rectified and smoothed output voltage to the RC element R5 / C2 is applied, and the transistors V4 and V5 of the AC power controller 320 is supplied with a defined increasing control voltage.
  • the transistors V4 and V5 are driven and the excitation current of the at least one drive coil 310 is increased in a defined manner in accordance with the time function of the RC element.
  • the components AC converter 320, means for controlling the AC-adjuster with a time function 340 and rectifier can be fused together from a circuit engineering point of view;
  • the body diodes of the MOSFET transistors V4 and V5 together with the diodes V1 and V2 form a bridge rectifier, and the time function can also be influenced, for example, via the negative feedback resistors R9 and 10 and / or the Zener diode V3 or the divider resistor R6.
  • the transistors V4 and V5 are completely turned on, so that the current limitation of the at least one drive coil 310 is now effected by the impedance of the at least one drive coil 310.
  • the time function for controlling the AC actuator in the form of an exponential function which can be realized inexpensively by the RC element R5 / C2, makes a good compromise with a solution as cheap as possible, a short delay time and thus large initial slope and a natural excitation increase.
  • the in Fig. 3 shown device means for overvoltage protection, such as the parallel to AC switch 320 connected varistor R11, which protects the AC power controller 320 against overvoltages.
  • the varistor R11 limits simultaneously occurring turn-off peaks of the at least one drive coil 310.
  • Resistors R9 and R10 which are used to adjust the timing function for driving the AC power converter 320 as described above, also have the object of counterbalancing resistors to balance the transistors V4 and V5 to minimize dependence on critical transistor parameters, e.g. compensate for different threshold voltage of the transistors V4 and V5.
  • this circuit concept is very well suited for high mains voltages up to 690V AC.
  • Another advantage arises from the fact that the overlaying of the time function of the drive circuit to the inherent time constant of the at least one exciter coil 310 almost completely prevents the formation of a DC component dependent on turn-on angle. As a result, synchronization effects on the phase position of the control voltage are completely avoided.
  • This third embodiment represents a possible realization of the illustrated schematic first and / or second embodiment, inasmuch as the same apply to the first and second embodiment mentioned explanations and advantages alike for this third embodiment.

Landscapes

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Description

    EINLEITUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes.
    • STAND DER TECHNIK
  • Bei Schützantrieben ist es aus Gründen der mechanischen und insbesondere der elektrischen Lebensdauer entscheidend, die Schließgeschwindigkeit des Antriebs im Nennspanungsbereich auf einen bevorzugten Wert einzustellen, um so die mechanische Schockbelastung und das Kontaktprellen zu minimieren. Ein weiterer Aspekt, die Schließgeschwindigkeit auf einen idealen Wert einzustellen, liegt in der Voreilung der Hilfsschalter, die einen Mindestwert nicht unterschreiten soll. Insbesondere bei Kondensatorschützen, die über Einschaltwiderstände und voreilende Hilfskontakte die zu schaltenden Kondensator vorladen, um so die Einschaltströme zu minimieren, ist eine ausreichende Voreilung der Hilfskontakte unerläßlich.
  • Bei konventionellen elektromagnetischen Antrieben ist, insbesondere durch die erhöhte Spannungsabhängigkeit der Antriebe, nur eine beschränkte Beeinflussung der Schließgeschwindigkeit über die Massenverhältnisse und die Federkräfte möglich. Dies gilt insbesondere bei Antrieben, die für einen erweiterten Nennspannungsbereich vorgesehen sind. Zur Optimierung der Einschaltdynamik von Schützantrieben werden daher bei modernen Antrieben vermehrt elektronisch gesteuerte oder geregelte Antriebe eingesetzt. So sind z.B. Antriebe, die durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) oder durch eine lineare Abregelung der DC-Spulenspannung den Anzugvorgang steuern bzw. regeln seit einigen Jahren Stand der Technik.
  • Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist jedoch, dass diese Antriebe über einen DC-Zwischenkreis arbeiten, es sich also um DC-Antriebe handelt. Bei klassischen DC-Antrieben ist jedoch die Halteleistung identisch mit der Anzugleistung. Insbesondere bei großen Antrieben würde diese Leistung für den Dauerbetrieb zu einer unzulässigen Eigenerwärmung des Antriebs führen. Daher ist bei diesen Antrieben für die Absenkung der Halteleistung entweder eine PWM-Moduluation der Spulenleistung auch im Haltebetrieb notwendig, oder die Bereitstellung einer geringeren Haltespannung, z.B. über einen integrierten Schaltregler.
  • Der Aufwand für diese Verfahren zur Absenkung der Halteleistung ist jedoch sehr hoch, insbesondere unter Berücksichtigung der erforderlichen Maßnahmen zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Vor allem bei Antrieben für höhere Versorgungsspannungen wird daher der Aufwand für die Absenkung der Halteleistung überproportional hoch.
  • Die Offenlegungsschrift DE 101 50 752 A1 offenbart einen Ventiltreiber zur Betätigung eines Ventils von einer Grundeinstellung in eine Arbeitsstellung oder umgekehrt, umfassend eine Ventilspule, die bei Zufuhr von elektrischer Energie das Ventil von der Grundstellung in eine Arbeitsstellung bewegt, und einer Schaltvorrichtung, welche die Ventilspule mit einer elektrischen Energiequelle verbindet und von einer solchen abtrennt. Die Energiezufuhr zur Ventilspule kann über eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) mit einem Schalttransistor gesteuert werden.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgeräts zu schaffen, welche eine effiziente und kostengünstig zu implementierende Beeinflussung der Schließgeschwindigkeit des Antriebes ermöglicht, wobei die Halteleistung ohne ein elektronisches Verfahren abgesenkt wird und welche auch für den Einsatz hoher Wechselspannungen geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes, wobei die Vorrichtung einen Wechselstromsteller zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebs umfasst und Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion umfasst, und der Wechselstromsteller zwei antiseriell geschaltete Transistoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfunktion eine Exponentialfunktion darstellt, dass die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers ein RC-Glied aufweisen und die Vorrichtung Gegenkopplungswiderstände zur Symmetrierung der zwei Transistoren aufweist, wobei die Gegenkopplungswiderstände auch zur Anpassung der Zeitfunktion verwendet werden.
  • Der elektromagnetische Antrieb kann beispielsweise einen elektromagnetischen Antrieb für einen oder mehrere Schütze oder für ein oder mehrere Relais oder für andere Schaltgeräte darstellen. Des Weiteren kann der elektromagnetische Antrieb mindestens eine Antriebsspule, mindestens einen Magnetkern und mindestens einen Magnetanker umfassen.
  • Der elektromagnetische Antrieb wird durch einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung betrieben, wobei der Wechselstrom bzw. die Wechselspannung durch den Wechselstromsteller beinflussbar ist. Somit kann beispielsweise über den Wechselstromsteller der elektromagnetische Antrieb angesteuert oder geregelt werden, z.B. zum Einschalten des elektromagnetischen Antriebes, und/oder zum Halten des elektromagnetischen Antriebes und/oder zum Auschalten des elektromagnetischen Antriebes. So kann beispielsweise die Dynamik des elektromagnetischen Antriebes, wie z.B. die Einschaltdynamik und/oder die Ausschaltdynamik, durch den Wechselstromsteller beeinflusst werden. Der Wechselstromsteller kann z.B. mithilfe einer Steuerung oder einer Regelung angesteuert bzw. geregelt werden, wobei der Wechselstromsteller z.B. bei einem Einschaltvorgang und/oder einem Abschaltvorgang mit einer definierten Zeitfunktion angesteuert werden kann.
  • Der Wechselstromsteller kann beispielsweise in Reihe zum elektrischen Antrieb geschaltet sein, und diese Reihenschaltung umfassend den Wechselstromsteller und den elektrischen Antrieb kann parallel zu einer Wechselspannungsquelle zur Versorgung des elektrischen Antriebes geschaltet sein. Somit kann der Wechselstromsteller den Strom durch die mindestens eine Antriebsspule des elektromagnetischen Antriebes beeinflussen.
  • Beispielsweise kann die Schließgeschwindigkeit des elektromagnetischen Antriebs im Nennspannungsbereich durch den Wechselstromsteller auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden, so dass die mechanische Schockbelastung und das Kontaktprellen des Schaltgeräts gemindert werden kann und somit die mechanische und die elektrische Lebensdauer verlängert werden kann. Falls das Schaltgerät einen oder mehrere Schütze mit mindestens einem Hilfsschalter darstellt, so kann beispielsweise mittels des Wechselstromstellers die Schließgeschwindigkeit derart eingestellt werden, dass die Voreilung des mindestens einen Hilfsschalters einen Mindestwert nicht unterschreitet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt den weiteren Vorteil, dass der elektromagnetische Antrieb mit Wechselstrom betätigt wird und somit beispielsweise durch die wegabhängige Änderung der Induktivität der mindestens einen Antriebsspule der induktiven Blindwiderstand der mindestens einen Spule und damit die Erregerleistung beeinflusst werden kann. Beispielsweise kann durch geeignete Wahl der Wickelparameter der Anzug- und/oder der Haltstrom der mindestens einen Antriebsspule auf einen gewünschten Sollwert abgestimmt werden. Somit ist keine elektronische Absenkung des Haltestroms erforderlich, womit eine kostengünstige Implementierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden kann.
  • Der Wechselstromsteller kann beispielsweise mindestens ein Halbleiterbauelement wie z.B. TRIAC, Thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate - Commutated Thyristor) oder Transistor umfassen, und/oder mindestens eine Elektronenröhre umfassen. Der Begriff Wechselstromsteller umfasst sämtliche Vorrichtungen, mit denen eine Wechselstrom gesteuert bzw. gestellt werden kann, z.B. in Abhängigkeit eines Steuersignals wie z.B. einer Steuerspannung oder ähnlichem.
  • Die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller mit einer Zeitfunktion können beispielsweise durch einen Mikrocontroller, und/oder einen DSP und/oder eine andere elektronische bzw. elektrische Schaltung realisiert werden. Beispielsweise können die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers ein Steuersignal zum Ansteuern des Wechelsstromstellers entsprechend der Zeitfunktion ausgeben, wie z.B. eine Steuerspannung.
  • Mithilfe dieser Zeitfunktion kann beispielsweise ein Erregerstrom durch die mindestens eine Antriebsspule des Schaltgeräts gesteuert werden.
  • Beispielsweise kann die Zeitfunktion zur Ansteuerung des Wechselstromstellers während eines Einschaltvorgang des elektrischen Antriebes für das Schaltgerät verwendet werden, so dass durch die Zeitfunktion die Einschaltdynamik des elektromagnetischen Antriebes vorgebbar ist. So können beispielsweise die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit der Wechselspannung zur Versorgung des magnetischen Antriebes gekoppelt sein, so dass beim Anlegen dieser Wechselspannung, wie z.B. beim Einschalten des magnetischen Antriebes, automatisch die Zeitfunktion für den Einschaltvorgang gestartet wird und der Wechselstromsteller entsprechend der Zeitfunktion angesteuert wird. Hierzu können die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers beispielsweise ebenso mit der Wechselspannung zur Versorgung des magnetischen Antriebes elektrisch versorgt werden, z.B. kann mittels eines Gleichrichters aus dieser Wechselspannung eine Gleichspannung zur Versorgung der Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller und damit auch zur Versorgung des Wechselstromstellers erzeugt werden.
  • Die Zeitfunktion zur Ansteuerung während des Einschaltvorgangs kann beispielsweise so gewählt werden, dass der Wechselstromsteller zunächst nur einen geringen Strom durch die mindestens eine Spule des elektrischen Antriebes steuert und diesen Strom stetig erhöht, womit die Dynamik des Antriebs an die Erfordernisse des Schaltgerätes angepasst werden kann. Nach Ablauf des Einschaltvorgangs kann der Wechselstromsteller bespielsweise voll durchsteuern, so dass die Strombegrenzung der mindestens einen Antriebsspule beispielsweise einzig durch die Impedanz der mindestens einen Antriebsspule erfolgt. Optional können jedoch zur Strombegrenzung auch noch weitere Impedanzen bzw. Widerstände neben der Impedanz der mindestens einen Antriebsspule verwendet werden.
  • Ferner kann die Zeitfunktion auch optional zur Ansteuerung des Wechselstromstellers während eines Ausschaltvorgang des elektrischen Antriebes für das Schaltgerät verwendet werden.
  • Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass durch die Überlagerung der Zeitfunktion der Ansteuerschaltung auf die Eigenzeitkonstante der mindestens einen Erregerspule eines Ausbildung eines einschaltwinkelabhängigen Gleichstromanteils fast vollständig vermieden werden kann. Dadurch können Synchronisationseffekte auf die Phasenlage der Steuerspannung komplett vermieden werden.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zeitfunktion den Wechselstromsteller während eines Einschaltvorgangs ansteuert.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zeitfunktion eine Exponentialfunktion darstellt.
  • Die Exponentialfunktion zur Ansteuerung des Wechselstromstellers während des Einschaltvorgangs kann einen sehr guten Kompromiss aus einer kurzen Verzugszeit, d.h. einer großen Anfangssteilheit, und einem natürlichen Erregungsanstieg darstellen.
  • Durch das RC-Glied kann beispielsweise die exponentielle Zeitfunktion während eines Einschaltvorgangs vorgegeben werden. Die Realisierung der Zeitfunktion mittels des RC-Gliedes stellt eine besonders kostengünstige Implementierung dar.
  • Beispielsweise kann das RC-Glied als Zweitor betrachtet werden, wobei an das Eingangstor eine Einschaltspannung angelegt wird, z.B. durch den zuvor beschriebenen Gleichrichter oder durch eine andere Spannungsquelle, so dass am Ausgangstor eine exponentielle ansteigende Ausgangsspannung anliegt, mit welcher der Wechselstromsteller angesteuert wird.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wechselstromsteller mindestens ein Halbleiterbauelement umfasst.
  • Der Wechselstromsteller kann beispielsweise mindestens ein Halbleiterbauelement wie z.B. TRIAC, Thyristor, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate - Commutated Thyristor) oder Transistor umfassen.
  • Die Ansteuerung des das mindestens eine Halbleiterbauelement umfassenden Wechselstromstellers kann beispielsweise mit den zuvor beschriebenen Mitteln zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion erfolgen, oder aber auch durch eine andere vorgegebene Steuerspannung oder einen anderen vorgegeben Steuerstrom.
  • Die zwei antiseriell geschalteten Transistoren können beispielsweise mit der mindestens einen Antriebsspule des elektromagnetischen Antriebes eine Reihenschaltung bilden. Z.B. können diese zwei Transistoren zwei Feldeffekttransistoren sein, wie z.B. zwei MOSFETS, die beiden Transistoren können auch zwei IGBTs sein oder andere geeignete Transistoren.
  • Die zwei antiseriell geschalteten Transistoren können beispielsweise nach Ablauf eines Einschaltvorganges voll durchgesteuert sein, so dass die Strombegrenzung der mindestens einen Antriebsspule beispielsweise einzig durch die Impedanz der mindestens einen Antriebsspule erfolgt. Optional können jedoch zur Strombegrenzung auch noch weitere Impedanzen bzw. Widerstände neben der Impedanz der mindestens einen Antriebsspule verwendet werden.
  • Die zwei antiseriell geschalteten Transistoren können beispielsweise überschüssige Energie linear abregeln und als Verlustwärme abführen, dies gilt insbesondere bei einem Einschaltvorgang und/oder einem Abschaltvorgang des elektromagnetischen Antriebes.
  • Beispielsweise können die beiden antiseriell geschalteten Transistoren jeweils in einer Emitterschaltung (bei Bipolartransistoren) bzw. in einer Sourceschaltung (bei Feldeffektransistoren) mit Gegenkopplung betrieben werden, wobei durch die Gegenkopplungswiderstände eine Unabhängigkeit von kritischen Transistorparametern erreicht werden kann. Somit können die beiden antiseriell geschalteten Transistoren beispielsweise jeweils eine spannungsgesteuerte Stromquelle darstellen, wobei jede der Stromquellen einen Gegenkopplungswiderstand zur Stromgegenkopplung aufweist.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zwei antiseriell geschalteten Transistoren zwei MOSFET-Transistoren sind.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung zwei Dioden umfasst, welche zusammen mit den integrierten Bodydioden der MOSFET-Transistoren einen Brückengleichrichter zur Erzeugung einer Versorgungsspannung zur Ansteuerung des Wechselstromstellers darstellen.
  • Werden beispielsweise n-Kanal-MOSFETs, wie z.B. n-Kanal-MOSFETS vom Anreicherungstyp, für die beiden antiseriell geschalteten Transistoren verwendet, so kann jeweils die zwischen dem Anschluss des p-dotierten Substrats und dem Drain-Anschluss integrierte Bodydiode für die Gleichrichtung verwendet werden.
  • Somit werden nur zwei weitere Dioden neben den beiden ohnehin vorhandenen Bodydioden der MOSFET-Transistoren für den Aufbau des Brückengleichrichters benötigt, wodurch eine kostengünstige und platzsparende Implementierung der Vorrichtung erzielt werden kann.
  • Die durch den Brückengleichrichter aufgebaute Versorgungsspannung kann beispielsweise direkt zur Ansteuerung des Wechselstromstellers verwendet werden, oder es können Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion zwischen dem Ausgang des Brückengleichrichters und dem Wechselstromsteller geschaltet sein. Die zuvor genannten Erläuterungen und Vorteile bezüglich der Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers gelten für diese Ausgestaltung der Erfindung gleichermaßen. So kann z.B. ein RC-Glied zwischen dem Ausgang des Brückengleichrichters und dem Wechselstromsteller platziert sein, so dass der Wechselstromsteller mit einer definierten exponentiellen Zeitfunktion angesteuert werden kann.
  • Ferner kann sich beispielsweise am Ausgang des Gleichrichters ein Spannungsbegrenzungselement, wie z.B. eine in Durchbruchrichtung betriebene Z-Diode oder Zener-Diode, zur Spannungsbegrenzung der gleichgerichteten Spannung befinden. Des Weiteren können sich am Ausgang des Gleichrichters Filtermittel zum Glätten der gleichgerichteten Spannung befinden, wie z.B. mindestens ein Kondensator oder andere Filtermittel.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung einen Gleichrichter zur Erzeugung einer Versorgungsspannung zur Ansteuerung des Wechselstromstellers umfasst.
  • Die Vorrichtung kann somit auch einen separaten Gleichrichter umfassen, wobei dieser Gleichrichter beispielsweise durch einen Einweggleichrichter, oder einen Brückengleichrichter oder eine sonstige Gleichrichterschaltung realisiert werden kann.
  • Wie in der vorherigen Ausgestaltung der Erfindung kann die vom Gleichrichter aufgebaute Versorgungsspannung beispielsweise direkt zur Ansteuerung des Wechselstromstellers verwendet werden, oder es können Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion zwischen dem Ausgang des Brückengleichrichters und dem Wechselstromsteller geschaltet sein. Die bezüglich der vorherigen Ausgestaltung genannten Erläuterungen und Vorteile bezüglich des Gleichrichters, der optionalen Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion, und optionalen Beschaltungen des Ausgangs des Gleichrichters wie z.B. Spannungsbegrenzung und/oder Filtermittel gelten gleichermaßen für den separaten Gleichrichter.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gleichrichter mit der Wechselspannung zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebes versorgt wird.
  • Somit wird der Wechselstromsteller automatisch dann mit einer Steuerspannung versorgt, wenn an den elektromagnetischen Antrieb eine Wechselspannung, z.B. zum Einschalten desselben, angelegt wird.
  • Sind ferner beispielsweise die zuvor erläuterten Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion zwischen Gleichrichter und Wechselstromsteller geschaltet, so kann beim Anlegen dieser Wechselspannung zum Betreiben des Antriebes, wie z.B. beim Einschalten des magnetischen Antriebes, automatisch die Zeitfunktion für den Einschaltvorgang gestartet werden und der Wechselstromsteller entsprechend der Zeitfunktion angesteuert werden.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wechselstromsteller während eines Einschaltvorgangs eine überschüssige Leistung linear abregelt.
  • Umfasst der Wechselstromsteller beispielsweise zwei elektronische Schaltelemente, wie z.B. Transistoren, so können diese überschüssige Leistung bzw. Energie linear abregeln und als Verlustwärme abführen.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung Mittel zum Überspannungsschutz umfasst.
  • So können beispielsweise Überspannungsschutzmittel parallel zum Wechselstromsteller geschaltet sein, z.B. zum Schutz der elektronischen Schaltelemente des Wechselstromstellers wie beispielsweise Transistoren. Beispielsweise können somit diese elektronischen Schaltelemente vor Abschaltspitzen der mindestens einen Antriebsspule beim Abschalten geschützt werden. Diese Überspannungsschutzmittel parallel zum Wechselstromsteller können beispielsweise durch einen Varistor realisiert werden können.
  • Ferner können beispielsweise auch Überspannungsschutzmittel am Schaltungseingang, an dem z.B. die Eingangswechselspannung angelegt wird, platziert sein, wobei hier auch z.B. ein Varistor verwendet werden kann. Auch diese am Schaltungseingang platzierten Überspannungsschutzmittel können die elektronischen Schaltelemente des Wechselstromstellers schützen, wie z.B. beim Abschalten vor Abschaltspitzen der mindestens einen Antriebsspule beim Abschalten.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • Fig. 1:
    Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieben eines elektromagnetischen Antriebes;
    Fig. 2:
    Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieben eines elektromagnetischen Antriebes;
    Fig. 3:
    Eine detaillierte Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieben eines elektromagnetischen Antriebes;
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes, wobei der elektromagnetische Antrieb mit einem Wechselstromsteller 120 betrieben wird.
  • Der elektromagnetische Antrieb kann beispielsweise einen elektromagnetischen Antrieb für einen oder mehrere Schütze, oder für ein oder mehrere Relais oder für andere Schaltgeräte darstellen. Der elektromagnetische Antrieb umfasst mindestens eine Antriebsspule 110, und kann mindestens einen Magnetkern und mindestens einen Magnetanker umfassen (nicht in Fig. 1 dargestellt).
  • Die mindestens eine Antriebsspule 110 liegt in Reihenschaltung mit dem Wechselstromsteller 120, wobei an diese Reihenschaltung eine Wechselspannung Ue angelegt werden kann. Diese Wechselspannung Ue dient somit als Versorgungsspannung für die mindestens eine Antriebsspule 110, wobei der durch die mindestens eine Antriebsspule fließende Wechselstrom durch den Wechselstromsteller 120 beeinflussbar ist.
  • So kann der Wechselstromsteller 120 beispielsweise in einem ersten Zustand den durch die mindestens eine Antriebsspule 110 fließenden Strom derart beeinflussen, dass dieser unter einem ersten Schwellwert liegt, so dass der magnetische Antrieb öffnet, und der Wechselstromsteller 120 kann beispielsweise in einem zweiten Zustand den durch die mindestens eine Antriebsspule 110 fließenden Strom derart beeinflussen, dass dieser über einem zweiten Schwellwert liegt, so dass der magnetische Antrieb schließt.
  • Des Weiteren kann der Wechselstromsteller den Strom durch die mindestens eine Antriebsspule 110 während eines Schließvorgangs des elektromagnetischen Antriebes, d.h. beim Übergang vom ersten in den zweiten Zustand, gezielt steuern, so dass die Einschaltdynamik des elektromagnetischen Antriebes beeinflusst werden kann. Somit kann beispielsweise die Schließgeschwindigkeit des elektromagnetischen Antriebes im Nennspannungsbereich auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden, so dass z.B. die mechanische Schockbelastung und das Kontaktprellen des Schaltgeräts gemindert werden kann und somit die mechanische und die elektrische Lebensdauer verlängert werden kann. Falls das Schaltgerät einen oder mehrere Schütze mit mindestens einem Hilfsschalter darstellt, so kann beispielsweise auch mittels des Wechselstromstellers die Schließgeschwindigkeit durch Steuern des Stroms während des Einschaltvorgangs derart eingestellt werden, dass die Voreilung des mindestens einen Hilfsschalters einen Mindestwert nicht unterschreitet.
  • Beispielsweise kann gleichermaßen durch Steuern des Stroms während eines Ausschaltvorgangs des elektromagnetischen Antriebes, d.h. vom Übergang vom zweiten in den ersten Zustand, die Ausschaltdynamik des elektromagnetischen Antriebes beeinflusst werden.
  • Somit kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf eine einfache Art und Weise die Einschaltdynamik und/oder Ausschaltdynamik des eines elektrischen Antriebes für ein Schaltgerät beinflusst werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt den weiteren Vorteil, dass der elektromagnetische Antrieb mit Wechselstrom betätigt wird und somit beispielsweise durch die wegabhängige Änderung der Induktivität der mindestens einen Antriebsspule der induktiven Blindwiderstand der mindestens einen Spule und damit die Erregerleistung beinflusst werden kann. Beispielsweise kann durch geeignete Wahl der Wickelparameter der Anzug- und/oder der Haltstrom der mindestens einen Antriebsspule auf einen gewünschten Sollwert abgestimmt werden. Somit ist keine elektronische Absenkung des Haltestroms erforderlich, womit eine kostengünstige Implementierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden kann.
  • Der Wechselstromsteller 120 kann beispielsweise mindestens ein Halbleiterschaltelement wie z.B. TRIAC, Thyristor, IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate - Commutated Thyristor) oder Transistor umfassen, und/oder mindestens eine Elektronenröhre umfassen. Der Begriff Wechselstromsteller umfasst sämtliche Vorrichtungen, mit denen eine Wechselstrom gesteuert bzw. gestellt werden kann, z.B. in Abhängigkeit eines Steuersignals wie z.B. einer Steuerspannung oder ähnlichem.
  • Des Weiteren kann der Wechselstromsteller 120 beispielsweise über die Wechselspannung Ue angesteuert werden, so dass z.B. beim Einschalten der Wechselspannung Ue der Wechselstromsteller 120 den Strom durch die mindestens eine Antriebsspule 110 gemäß einer vordefinierten Einschaltcharakteristik steuert. Der Wechselstromsteller 120 kann allerdings auch anderweitig angesteuert bzw. geregelt werden, z.B. durch einen Mikrocontroller oder ähnliches.
  • Die zur ersten Ausführungsform genannten Erläuterungen und Vorteile gelten gleichermaßen für die folgenden Ausführungsformen.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes, wobei der elektromagnetische Antrieb mit einem Wechselstromsteller 220 betrieben wird.
  • Wie in der ersten Ausführungsform liegt die mindestens eine Antriebsspule 110 in Reihenschaltung mit dem Wechselstromsteller 220, wobei an diese Reihenschaltung eine Wechselspannung Ue angelegt werden kann. Diese Wechselspannung Ue dient somit als Versorgungsspannung für die mindestens eine Antriebsspule 110, wobei der durch die mindestens eine Antriebsspule fliessende Wechselstrom durch den Wechselstromsteller 120 beeinflussbar ist.
  • Die zuvor genannten Erläuterungen und Vorteile bezüglich des Wechselstromstellers 120 der ersten Ausführungsform gelten gleichermaßen für den in Fig. 2 gezeigten Wechselstromsteller 220.
  • Der Weiteren umfasst die Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebs in der zweiten gezeigten Ausführungsform Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240, und optional einen Gleichrichter 230 und optional Mittel zum Überspannungsschutz 250, 260.
  • Die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller 220 mit einer Zeitfunktion 240 können beispielsweise durch einen Mikrocontroller, und/oder einen DSP und/oder eine andere elektronische bzw. elektrische Schaltung realisiert werden. Mithilfe dieser Zeitfunktion kann der Wechselstromsteller 220 beispielsweise den Erregerstrom durch die mindestens eine Antriebsspule 110 in Abhängigkeit der Zeit gemäß der vorgegebenen Zeitfunktion steuern. Beispielsweise können die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 eine Steuerspannung zur Steuerung des Wechselstromstellers in Abhängigkeit der Zeitfunktion ausgeben.
  • Beispielsweise kann diese Zeitfunktion zur Ansteuerung des Wechselstromstellers während eines Einschaltvorgangs des elektrischen Antriebes verwendet werden, so dass durch die Zeitfunktion die Einschaltdynamik des elektromagnetischen Antriebes vorgebbar ist.
  • Des Weiteren können die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller 220 mit einer Zeitfunktion 240 auch mit Wechselspannung Ue zur Versorgung des magnetischen Antriebes gekoppelt sein, wie z.B. in Fig. 2 über den Gleichrichter 230, so dass die Wechselspannung Ue auch als Steuerspannung für die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller 220 mit einer Zeitfunktion 240 wirken kann. So kann beispielsweise beim Anlegen der Wechselspannung Ue, wie z.B. beim Einschalten des magnetischen Antriebes, durch diese Wechselspannung Ue automatisch eine Zeitfunktion für die Ansteuerung des Wechselstromsteller 220 während des Einschaltvorgangs gestartet werden und der Wechselstromsteller entsprechend der Zeitfunktion angesteuert werden. Die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromsteller 220 mit einer Zeitfunktion 240 können somit beispielsweise eine definiert ansteigende Steuerspannung in Abhängigkeit der Zeitfunktion während des Einschaltvorgangs an den Wechselstromsteller 220 ausgeben. Diese Zeitfunktion beim Einschaltvorgang kann beispielsweise durch eine Exponentialfunktion realisiert werden.
  • Beispielsweise kann ein Gleichrichter 230 aus der Wechselspannung Ue eine Versorgungsgleichspannung erzeugen, mit welcher die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 versorgt werden. Somit können die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 automatisch dann eingeschaltet werden, wenn die Wechselspannung Ue, z.B. zum Einschalten des elektrischen Antriebes, angelegt wird, so dass beispielsweise wie zuvor beschrieben hierdurch automatisch der Wechselstromsteller 220 gemäß einer vorgegebenen Zeitfunktion während des Einschaltvorgangs angesteuert werden kann.
  • Der Gleichrichter 230 kann beispielsweise durch einen Einweggleichrichter, oder einen Brückengleichrichter oder eine sonstige Gleichrichterschaltung realisiert werden. Am Ausgang des Gleichrichters 230 kann sich ein Spannungsbegrenzungselement, wie z.B. eine in Durchbruchrichtung betriebene Z-Diode oder Zener-Diode, zur Spannungsbegrenzung der gleichgerichteten Spannung befinden. Des Weiteren können sich am Ausgang des Gleichrichters 230 Filtermittel zum Glätten der gleichgerichteten Spannung befinden, wie z.B. mindestens ein Kondensator oder andere Filtermittel.
  • Die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 können beispielsweise ein RC-Glied umfassen. Wird somit beispielsweise eine Wechselspannung Ue zum Einschalten des magnetischen Antriebes angelegt, so liegt am Ausgang des Gleichrichter 230 dementsprechend eine gleichgerichtete Einschaltspannung an, welche wiederum an den Eingang des RC-Gliedes angelegt werden kann, so dass am Ausgang des RC-Gliedes eine exponentiell ansteigende Ausgangsspannung ausgegeben wird, mit der Wechselstromsteller 220 während des Einschaltvorgangs angesteuert werden kann. Ab einem bestimmten Ausgangsspannungspegel des RC-Gliedes steuert der Wechselstromsteller 220 voll durch und schaltet somit in den zuvor beschriebenen zweiten Zustand.
  • Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass durch die Überlagerung der Zeitfunktion der Ansteuerschaltung auf die Eigenzeitkonstante der mindestens einen Erregerspule 110 eine Ausbildung eines einschaltwinkelabhängigen Gleichstromanteils fast vollständig vermieden wird. Dadurch werden Synchronisationseffekte auf die Phasenlage der Steuerspannung komplett vermieden.
  • Des Weiteren kann die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung Überspannungsschutzmittel 250, 260 umfassen. Z.B. können Überspannungsschutzmittel 260 direkt parallel zum Wechselstromsteller 220 geschaltet sein, z.B. zum Schutz der elektronischen Schaltelemente des Wechselstromstellers wie beispielsweise Transistoren. Beispielsweise können somit diese elektronischen Schaltelemente vor Abschaltspitzen der mindestens einen Antriebsspule 110 beim Abschalten geschützt werden. Diese Überspannungsschutzmittel 260 direkt parallel zum Wechselstromsteller 220 können beispielsweise durch einen Varistor realisiert werden können. Ferner können auch Überspannungsschutzmittel 250 am Schaltungseingang platziert sein, wobei hier auch z.B. ein Varistor verwendet werden kann. Auch diese am Schaltungseingang platzierten Überspannungsschutzmittel 250 können die elektronischen Schaltelemente des Wechselstromsteller 220 schützen, z.B. beim Abschalten vor Abschaltspitzen der mindestens einen Antriebsspule 110 beim Abschalten.
  • Obwohl der Wechselrichter 230, die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 und der Wechselstromsteller 220 in der Figur 2 als jeweils separate Einheiten dargestellt sind, können diese Einheiten schaltungstechnisch gesehen miteinander verschmelzen, so dass beispielsweise Transistoren des Wechselstromstellers 220 gleichzeitig als Dioden für den Gleichrichter 230 mit verwendet werden. Werden z.B. antiseriell geschaltete MOSFET-Transistoren für den Wechselstromsteller 220 verwendet, so können beispielsweise die integrierten Bodydioden dieser MOSFET-Transistoren zusammen mit zwei weiteren Dioden einen Brückengleichrichter zur Erzeugung einer Versorgungsspannung für die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 mit einer Zeitfunktion 240 und damit zur Ansteuerung des Wechselstromstellers 220 bilden.
  • Figur 3 zeigt ein eine detaillierte Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes.
  • Der Wechselstromsteller 320, welcher in Reihe mit der mindestens einen Antriebsspule 310 des magnetischen Antriebes geschaltet ist, umfasst die beiden antiseriell geschalteten MOSFET-Transistoren V4 und V5.
  • Die Ansteuerung der Transistoren V4 und V5 erfolgt aus einer Versorgungsspannung, die aus den Dioden V1, V2 und V3, den Widerständen R2 und R3 sowie den nicht in Fig. 3 eingezeichneten Bodydioden der Transistoren V4 und V5 aufgebaut wird. Hierbei bilden die Dioden V1 und V2 zusammen mit den Bodydioden der Transistoren V4 und V5 einen Brückengleichrichter, dessen Minuspol am Knotenpunkt der Widerstände R9 und R10 anliegt. Die Vorwiderstände R2 und R3 können hochohmig ausgebildet sein und somit zur Begrenzung des Versorgungsstrom dienen. Die Diode V3, welche eine Zener-Diode sein kann, wird in Durchbruchrichtung betrieben und begrenzt die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters. Des Weiteren kann die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters durch Filtermittel, d.h. z.B. den Kondensator C1, tiefpassgefiltert werden und somit geglättet werden, insbesondere während der Nulldurchgänge der Wechselspannung Ue.
  • Des Weiteren umfasst die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung Mittel zum Ansteuern des Wechselstromstellers 320 mit einer Zeitfunktion 340, welche ein einen Widerstand R5 und einen Kondensator C2 umfassendes RC-Glied umfasst. Dieses RC-Glied wird mit der vom Kondensator C1 geglätteten Ausgangsspannung des Brückengleicherichters gespeist. Bei Anlegen einer Wechselstromspannung Ue wird somit die gleichgerichtete und geglättete Ausgangsspannung an das RC-Glied R5/C2 angelegt, und den Transistoren V4 und V5 des Wechselstromstellers 320 wird eine definiert ansteigende Steuerspannung zugeführt. Hierdurch werden die Transistoren V4 und V5 angesteuert und der Erregerstrom der mindestens einen Antriebsspule 310 wird entsprechend der Zeitfunktion des RC-Glieds definiert erhöht. Über die Gegenkopplungswiderstände R9 und R10, die Zenerdiode V3, dem RC-Glied R5/C2 sowie dem Teilerwiderstand R6 kann der Anstieg des Erregerstroms, und damit weitestgehend die Dynamik des elektromagnetischen Antriebes, an die Erfordernisse des Schaltgerätes angepasst werden. Wie schon beim zweiten Ausführungsbeispiel erläutert, können schaltungstechnisch gesehen die Komponenten Wechselstromsteller 320, Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers mit einer Zeitfunktion 340 und Gleichrichter miteinander verschmelzen; so bilden im dritten Ausführungsbeispiel die Bodydioden der MOSFET-Transistoren V4 und V5 zusammen mit den Dioden V1 und V2 einen Brückengleichrichter, und die Zeitfunktion kann beispielsweise auch über die Gegenkopplungswiderstände R9 und 10 und/oder die Zenerdiode V3 oder den Teilerwiderstand R6 beeinflusst werden.
  • Während des Einschaltvorgangs wird überschüssige Energie linear über die Transistoren V4 und V5 abgeregelt und als Verlustwärme abgeführt. Obwohl während des Einschaltvorgangs kurzfristig eine große Leistung zu stellen sein kann, ist über die relativ kurzen Schaltzeiten die Gesamtverlustleistung der Transistoren V4 und V5 gering.
  • Nach Ablauf des Einschaltvorgangs sind die Transistoren V4 und V5 vollständig durchgesteuert, so dass die Strombegrenzung der mindestens einen Antriebsspule 310 nunmehr durch die Impedanz der mindestens einen Antriebsspule 310 erfolgt.
  • Die Zeitfunktion zur Ansteuerung des Wechselstromstellers in Form einer Exponentialfunktion, welche kostengünstig durch das RC-Glied R5/C2 realisiert werden kann, stellt einen guten Kompromiss aus einer möglichst preiswerten Lösung, einer kurzen Verzugszeit und damit großen Anfangssteilheit und einem natürlichen Erregeranstieg mit.
  • Des Weiteren umfasst die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung Mittel zum Überspannungsschutz, wie z.B. den parallel zum Wechselstromsteller 320 geschalteten Varistor R11, welcher den Wechselstromsteller 320 gegen Überspannungen schützt. Zusammen mit dem Varistor R1 begrenzt der Varistor R11 gleichzeitig auftretende Abschaltspitzen der mindestens einen Antriebsspule 310.
  • Die Widerstände R9 und R10, welche wie zuvor beschrieben zur Anpassung der Zeitfunktion zur Ansteuerung des Wechselstromsteller 320 verwendet werden, haben ferner auch die Aufgabe als Gegenkopplungswiderstände die Transistoren V4 und V5 zu symmetrieren, um eine Abhängigkeit von kritischen Transistorparametern zu minimieren, wie z.B. unterschiedliche Schwellspannung der Transistoren V4 und V5 auszugleichen.
  • Aufgrund der Einfachheit der Schaltung, des sehr geringen Steuerleistungsbedarfs und des sehr guten Schutzes der Steuertransistoren gegen Überspannungen eignet sich dieses Schaltungskonzept sehr gut auch für hohe Netzspannungen bis zu 690V-AC.
  • Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass durch die Überlagerung der Zeitfunktion der Ansteuerschaltung auf die Eigenzeitkonstante der mindestens einen Erregerspule 310 eine Ausbildung eines einschaltwinkelabhängigen Gleichstromanteils fast vollständig vermieden wird. Dadurch werden Synchronisationseffekte auf die Phasenlage der Steuerspannung komplett vermieden.
  • Diese dritte Ausführungsform stellt eine mögliche Realisierung der gezeigten schematischen ersten und/oder zweiten Ausführungsform dar, insofern gelten die bezüglich der ersten und zweiten Ausführungsform genannten Erläuterungen und Vorteile gleichermaßen für diese dritte Ausführungsform.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Antriebes eines Schaltgerätes, wobei die Vorrichtung einen Wechselstromsteller (120, 220, 320) zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebs umfasst und Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers (120, 220, 320) mit einer Zeitfunktion (240) umfasst, und der Wechselstromsteller (120, 220, 320) zwei antiseriell geschaltete Transistoren (V4, V5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfunktion (240, 340) eine Exponentialfunktion darstellt, dass die Mittel zur Ansteuerung des Wechselstromstellers ein RC-Glied (R5, C2) aufweisen und die Vorrichtung Gegenkopplungswiderstände (R9, R10) zur Symmetrierung der zwei Transistoren (V4, V5) aufweist, wobei die Gegenkopplungswiderstände (R9, R10) auch zur Anpassung der Zeitfunktion (240) verwendet werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitfunktion (240, 340) den Wechselstromsteller (120, 220, 320) während eines Einschaltvorgangs ansteuert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei antiseriell geschalteten Transistoren (V4, V5) zwei MOSFET-Transistoren sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Dioden (V1, V2) umfasst, welche zusammen mit den integrierten Bodydioden der MOSFET-Transistoren (V4, V5) einen Brückengleichrichter zur Erzeugung einer Versorgungsspannung zur Ansteuerung des Wechselstromstellers (120, 220, 320) darstellen.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gleichrichter (230) zur Erzeugung einer Versorgungsspannung zur Ansteuerung des Wechselstromstellers umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (230) mit der Wechselspannung zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebes versorgt wird.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromsteller (120, 220, 320) während eines Einschaltvorgangs eine überschüssige Leistung linear abregelt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Überspannungsschutz umfasst.
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