EP1927121B1 - Verfahren zum bestimmen des abbrandes von kontakten eines elektromagnetischen schaltgerätes und elektromagnetisches schaltgerät mit einer nach diesem verfahren arbeitenden einrichtung - Google Patents

Verfahren zum bestimmen des abbrandes von kontakten eines elektromagnetischen schaltgerätes und elektromagnetisches schaltgerät mit einer nach diesem verfahren arbeitenden einrichtung Download PDF

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EP1927121B1
EP1927121B1 EP20060793351 EP06793351A EP1927121B1 EP 1927121 B1 EP1927121 B1 EP 1927121B1 EP 20060793351 EP20060793351 EP 20060793351 EP 06793351 A EP06793351 A EP 06793351A EP 1927121 B1 EP1927121 B1 EP 1927121B1
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EP
European Patent Office
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time
contacts
switching device
sensor
distance
Prior art date
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EP20060793351
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English (en)
French (fr)
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EP1927121A1 (de
Inventor
Bernd Trautmann
Norbert Elsner
Norbert Mitlmeier
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator
    • 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
    • H01H71/04—Means for indicating condition of the switching device
    • H01H2071/044—Monitoring, detection or measuring systems to establish the end of life of the switching device, can also contain other on-line monitoring systems, e.g. for detecting mechanical failures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/54—Contact arrangements
    • H01H50/546—Contact arrangements for contactors having bridging contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H73/00—Protective overload circuit-breaking switches in which excess current opens the contacts by automatic release of mechanical energy stored by previous operation of a hand reset mechanism
    • H01H73/02—Details
    • H01H73/04—Contacts
    • H01H73/045—Bridging contacts

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the burnup of contacts of an electromagnetic switching device.
  • the invention relates to an electromagnetic switching device with a device for determining the erosion of its contacts.
  • From the EP 0 694 937 B1 is a method for determining the burnup and thus the remaining life of contacts in switching devices known in which the measure of the contact erosion so-called contact pressure or through pressure is determined.
  • This pressure is the distance traveled by the armature as an actuator of the switching movement between the beginning of the turn-off, ie the time in which the magnetic armature resting in the end position on a magnetic yoke detaches from this, and the time in which the Differentiate contacts.
  • the timing of lifting of the armature from the yoke is measured with an auxiliary circuit in which the armature and the yoke form a switch which is closed when the armature and magnetic yoke touch.
  • a further auxiliary circuit is required, for example, a complex, galvanically decoupled with the aid of optocouplers from the main circuit auxiliary circuit which detects the occurrence of an arc voltage, which is formed by the forming arc when lifting.
  • the turn-off is used to determine the burn-up or the remaining life
  • the WO 2004/057634 A1 a method and a device for determining the remaining life of a switching device known in which the change in the pressure during the switching, ie when closing the switch contacts by the magnetic drive, is measured.
  • a position sensor is arranged on the armature, which contains at least three positions markings, for example in the form of measuring contacts, with which the time course of the magnetic armature movement can be detected.
  • the position determination of the magnet armature when closing the contacts is determined by calculation from the movement sequence of the magnet armature detected with the aid of these position markers. For this purpose, due to the small number of position marks, a simple algorithm is used on the assumption that between a time before closing the contacts and a Time, which is between the closing time of the contacts and the touchdown of the armature on the magnetic yoke, the anchor acceleration is constant. In practice, however, it has been found that with such an approach, the timing of closing the contacts can be determined only with low accuracy.
  • the invention is based on the object to provide a method for determining the erosion of contacts of an electromagnetic switching device, with an accurate determination of the time in which close the contacts, and thus an accurate determination of the contact erosion is possible.
  • the invention is based on the object to provide an electromagnetic switching device with a device operating according to this method.
  • the object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1.
  • a time characteristic of the relative movement caused by an actuator between the contacts mechanical variable is measured during switching on, and it is by Evaluation of this time course determines the time at which close the contacts, and which is detected by the contacts or the distance traveled by the actuator from this point to its end position distance is at least indirectly detected and compared with a stored reference value.
  • the invention is based on the consideration that the time course of the relative movement is significantly changed at the time of closing the contacts due to the beginning at this time and the movement of the actuator decelerating high spring force of the contact spring, so that with an analysis of the time course of Movement the time of the meeting of the contacts can be safely determined immediately without the need for this an approximation model of the movement, as in the above-mentioned WO 2004/057634 A1 the case is.
  • variable characterizing the movement can be made directly by measuring the speed or the acceleration of one of the contacts or both contacts. Alternatively, the speed of this relative movement causing and with at least one of the contacts mechanically coupled and actuated by an electromagnetic actuator actuator are measured.
  • the time course of the movement is measured with a mechanically coupled to the actuator sensor, whereby the measurement can be done with a measuring circuit which is galvanically decoupled from the switched circuit or the circuit of the magnetic drive.
  • the sensor is a displacement sensor, a speed sensor or an acceleration sensor.
  • the time of the contact closure can be determined particularly easily from its measuring signal. In order to obtain information about the distance covered in this case, their measuring signals must still be integrated simply or twice.
  • FIG. 1 contains an electromagnetic switching device, in the example shown, a contactor, a magnetic yoke 2, on which two magnetic coils 4 are arranged for magnetic excitation.
  • An armature 6 associated with the magnetic yoke 2 is spring-mounted by compression springs 8 in a housing 10 of the switching device which is illustrated only symbolically.
  • Magnetic yoke 2, solenoid 4 and armature 6 form an electromagnetic drive of the switching device.
  • the armature 6 is non-positively connected via a contact spring 12 with a movable contact bridge 14.
  • the movable contact bridge 14 are associated with two fixed contact carrier 16.
  • the magnet armature 6 forms the actuator of the magnetic drive for the relative movement between the contact bridge 14 and the contact carrier sixteenth
  • the contact bridge 14 and the fixed contact carrier 16 are each provided with contact pieces or contacts 18 which have a thickness D 0 in the new state.
  • the switch contact formed by the movable contact bridge 14 and the fixed contact carrier 16 is in open Position. In this switched-off state, the contacts 18 are at a distance S 0 and the pole faces 20 and 60 of the magnetic yoke or the magnet armature 6 are located at a distance H.
  • FIG. 2 now shows a situation in which the contacts 18 touch the first time, the armature 6 has thus covered a distance S 0 .
  • This distance d 0 corresponds to the through-pressure of the switching device in unconsumed contacts 18.
  • the further closing movement of the armature 6 is now against the action of the contact spring 12 and the parallel-connected compression spring 8. Since the spring force exerted by the contact spring 12 is significantly greater than that of the spring 8 exerted spring force, the force acting on the armature 6 spring force increases abruptly and causes a significant change in the course of the closing movement.
  • the force acting on the armature 6 magnetic force is greater than the force exerted by the compression spring 8 and the contact spring 12 spring force, and the armature 6 can continue to move in the direction of the magnetic yoke 2 until finally, as in FIG. 3 is shown, rests in an end or rest position with its pole faces 60 on the pole faces 20 of the magnetic yoke 2.
  • FIG. 4 is now shown a situation in which the contacts 18 are already significantly burned after a plurality of switching cycles, and only have a thickness D 1 ⁇ D 0 . Accordingly, the contact pieces 18 are in the off state at a distance s 1 which is significantly greater than the distance s 0 in the new state.
  • this distance d 1 that is, the through pressure due to the small thickness D 1 of the contacts 18 is significantly reduced compared to the through-pressure in the new state.
  • FIG. 6 is the current flowing through the solenoid current I (curve a) and applied to the solenoid clocked DC voltage U (curve b) plotted against the time t.
  • the solenoid current I curve a
  • U curve b
  • it is a switching device with an example of the WO 2005/017933 A1 is controlled by known methods to adjust the closing speed by which the contacts on the one hand and the poles on the other hand, by controlling the acceleration of the armature. From this figure, it can be seen that the current I decreases steadily until the time t k of closing the contacts in order to rise again at short notice from this point in time t k . This increase is necessary in order to compensate for the suddenly increased spring force acting on the magnet armature from the time t k by a correspondingly higher magnetic force.
  • the path s of the magnet armature (curve e) and its velocity v (curve f) are also plotted against time t.
  • the magnet armature (actuator) is located with its pole faces at a distance H from the pole faces of the magnetic yoke.
  • the velocity v at which the magnet armature moves towards the magnetic yoke increases steadily after a certain time delay with an approximately constant acceleration. The reason for this is the above-mentioned control of the armature movement, which ensures that the speed of the magnet armature does not become too large.
  • Fig. 9 the acceleration b of the armature is plotted against time in a logarithmic scale. It can be seen from the curve g that the acceleration b rises rapidly to an approximately constant value and undergoes a sign change at the time of the contact closure due to the speed drop. This change of sign can be particularly easily recognized in an evaluation of the time course of the acceleration b and used to determine the closing time t k .
  • FIGS. 6 to 9 Diagrams shown are used to exemplify the present when switching an electromagnetic switching device physical conditions.
  • the in FIGS. 8 and 9 shown speed or sign change of acceleration also results when the electromagnetic switching device operated unregulated or by another control method becomes. If, with the aid of a suitable sensor, the speed v or the acceleration is detected either directly by a speed sensor or an acceleration sensor, the closing time t k can be determined particularly easily from the curve of the latter. In principle, the closing time t k can also be derived from a signal measured by a displacement sensor by differentiating it once or twice.
  • FIG. 10 is in a switching device according to the invention to the armature 6 directly a sensor 22 coupled, which may be designed as a speed sensor, acceleration sensor or displacement sensor.
  • a sensor 22 coupled, which may be designed as a speed sensor, acceleration sensor or displacement sensor.
  • the relative movement of the contacts 18 is detected indirectly and evaluated in an evaluation device 25.
  • the time t k is mediated by the change of the acceleration b or the collapse of the speed v.
  • the remaining distance d (through-pressure) or the distance s covered up to this time t k can be removed from the path-time course w (t) of the actuator (armature 6) immediately.
  • the evaluation device 25 can also take over the differentiation or integration of the movement signal generated by the sensor 22.
  • a sensor 24 may be disposed on the movable contact bridge 14.
  • the distances s 0 and s 1 can be measured directly.
  • the speed v can be determined directly as a function of time.
  • the closing time t k is the time when the movement ends and the speed v of the movable contact 18 becomes zero.
  • the sensors 22, 24 are mechanically coupled to the moving parts-armature 6 or movable contact 18. Basically, however, non-contact sensors can be used, the distance of the relevant moving part to a fixed housing part.
  • the distance s 1 known can be concluded by comparison with a stored reference value s 0 directly on the burn D 0 -D 1 and thus also on the remaining life of the contacts.
  • a stored reference value s 0 directly on the burn D 0 -D 1 and thus also on the remaining life of the contacts.
  • the relationship D 0 - D 1 s 1 - s 0 / 0 provided that burnup D 0 -D 1 is evenly distributed between the opposing contacts.
  • the burn D 0 -D 1 can be calculated directly with the above equation, if the distance d 0 (pressure ) is stored as uncommitted contacts as a reference value.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen des Abbrandes von Kontakten eines elektromagnetischen Schaltgerätes. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Einrichtung zum Bestimmen des Abbrandes seiner Kontakte.
  • Beim Ein- und Ausschalten eines elektromagnetischen Schaltgerätes treten zwischen den sich schließenden oder öffnenden Kontakten Lichtbögen auf. Diese verursachen im Lauf der Zeit einen.Abbrand der Kontakte. Für die Betriebssicherheit eines solchen Schaltgerätes ist es daher wichtig, das Ausmaß dieses Abbrandes zu kennen, um daraus auf die Restlebensdauer des Schaltgerätes schließen und durch rechtzeitigen Austausch der Kontakte Betriebsstörungen vermeiden zu können.
  • Aus der EP 0 694 937 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Abbrandes und damit der Restlebensdauer von Kontakten in Schaltgeräten bekannt, bei dem als Maß für den Kontaktabbrand der so genannte Kontaktdurchdruck oder Durchdruck bestimmt wird. Bei diesem Durchdruck handelt es sich um die Wegstrecke, die der Magnetanker als Aktuator der Schaltbewegung zwischen dem Beginn des Ausschaltvorganges, d.h. dem Zeitpunkt, in dem sich der in Endposition auf einem Magnetjoch aufliegende Magnetanker von diesem löst, und dem Zeitpunkt zurücklegt, in dem die Kontakte voneinander abheben. Der Zeitpunkt des Abhebens des Magnetankers vom Magnetjoch wird mit einem Hilfsstromkreis gemessen, in dem der Magnetanker und das Magnetjoch einen Schalter bilden, der geschlossen ist, wenn sich Magnetanker und Magnetjoch berühren.
  • Alternativ hierzu ist es beispielsweise aus der EP 0 878 015 B1 bekannt, den Zeitpunkt der Trennung des Magnetankers vom Magnetjoch des Magnetantriebes durch Messung der Spannung an der Magnetspule des Magnetjochs zu bestimmen.
  • Weiterhin ist aus der WO 03/054895 bekannt, den Abbrand aus Schließzeiten des Schaltgeräts zu bestimmen, die wiederum aus elektrischen Größen ermittelt werden.
  • Aus der DE 10260248 A1 sind Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer bekannt, bei denen eine Vermessung von Zeitintervallen beim Abschaltvorgang vorgenommen wird.
  • Bei beiden Verfahren wird zum Erfassen des Zeitpunktes des Abhebens der Kontakte eine weitere Hilfsschaltung benötigt, beispielsweise eine aufwendige, galvanisch mit Hilfe von Optokopplern vom Hauptstromkreis entkoppelte Hilfsschaltung, die das Auftreten einer Bogenspannung detektiert, die durch den sich beim Abheben bildenden Lichtbogen entsteht.
  • Alternativ zu den aus der EP 0 694 937 B1 und EP 0 878 015 B1 bekannten Verfahren, bei denen der Ausschaltvorgang zum Bestimmen des Abbrandes oder der Restlebensdauer herangezogen wird, ist aus der WO 2004/057634 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Restlebensdauer eines Schaltgerätes bekannt, bei dem die Änderung des Durchdrucks beim Einschaltvorgang, d.h. beim Schließen der Schaltkontakte durch den Magnetantrieb, gemessen wird. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist am Magnetanker ein Positionsgeber angeordnet, der an wenigstens drei Positionen Markierungen, beispielsweise in Form von Messkontakten enthält, mit denen der zeitliche Verlauf der Magnetankerbewegung erfasst werden kann. Die Positionsbestimmung des Magnetankers beim Schließen der Kontakte wird rechnerisch aus dem mit Hilfe dieser Positionsmarken erfassten Bewegungsablauf des Magnetankers bestimmt. Hierzu wird auf Grund der geringen Anzahl von Positionsmarken ein einfacher Algorithmus unter der Annahme genutzt, dass zwischen einem Zeitpunkt vor dem Schließen der Kontakte und einem Zeitpunkt, der zwischen dem Schließzeitpunkt der Kontakte und dem Aufsetzen des Magnetankers auf das Magnetjoch liegt, die Ankerbeschleunigung konstant ist. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass mit einem solchen Ansatz der Zeitpunkt des Schließens der Kontakte nur mit geringer Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Abbrandes von Kontakten eines elektromagnetischen Schaltgerätes anzugeben, mit dem eine genaue Bestimmung des Zeitpunktes, in dem die Kontakte schließen, und damit eine genaue Bestimmung des Kontaktabbrandes möglich ist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einer nach diesem Verfahren arbeitenden Einrichtung anzugeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bei diesem Verfahren wird während des Einschaltens eine den zeitlichen Verlauf der von einem Aktuator verursachten Relativbewegung zwischen den Kontakten charakterisierende mechanische Größe gemessen, und es wird durch Auswertung dieses zeitlichen Verlaufes der Zeitpunkt ermittelt, in dem die Kontakte schließen, und die bis zu diesem Zeitpunkt von den Kontakten oder die ab diesem Zeitpunkt vom Aktuator bis zu dessen Endposition zurückgelegte Wegstrecke zumindest mittelbar erfasst und mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der zeitliche Verlauf der Relativbewegung im Zeitpunkt des Schließens der Kontakte aufgrund der in diesem Zeitpunkt einsetzenden und die Bewegung des Aktuators abbremsenden hohen Federkraft der Kontaktfeder signifikant verändert wird, so dass mit einer Analyse des zeitlichen Verlaufes der Bewegung der Zeitpunkt des Aufeinandertreffens der Kontakte sicher unmittelbar ermittelt werden kann, ohne dass es hierzu eines Näherungsmodells des Bewegungsablaufes bedarf, wie dies bei der eingangs erwähnten WO 2004/057634 A1 der Fall ist.
  • Die den Bewegungsablauf charakterisierende Größe kann unmittelbar durch Messung der Geschwindigkeit oder der Beschleunigung eines der Kontakte oder beider Kontakte erfolgen. Alternativ hierzu kann auch die Geschwindigkeit eines diese Relativbewegung verursachenden und mit wenigstens einem der Kontakte mechanisch gekoppelten und durch einen elektromagnetischen Antrieb betätigten Aktuators gemessen werden.
  • Der zeitliche Verlauf der Bewegung wird mit einem mechanisch mit dem Aktuator gekoppelten Sensor gemessen, wodurch die Messung mit einer Messschaltung erfolgen kann, die vom geschalteten Stromkreis oder vom Stromkreis des Magnetantriebs galvanisch entkoppelt ist.
  • Der Sensor ist ein Wegsensor, ein Geschwindigkeitssensor oder ein Beschleunigungssensor.
  • Wenn als Sensor ein Geschwindigkeitssensor oder ein Beschleunigungssensor verwendet wird, kann aus dessen Messsignal besonders einfach der Zeitpunkt des Kontaktschließens ermittelt werden. Um in diesem Fall eine Information über den zurückgelegten Weg zu erhalten müssen deren Messsignale noch einfach bzw. zweifach integriert werden.
  • Die auf das elektromagnetische Schaltgerät bezogene Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 7, deren Vorteile ebenso wie die Vorteile der in den auf diesen Patentanspruch zurückbezogenen Unteransprüchen angegebenen Merkmale sinngemäß den Vorteilen entsprechen, die zu den Merkmalen der jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche angegeben sind.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
    • Figuren 1 bis 3
    jeweils ein elektromagnetisches Schaltgerät in einer Prinzipdarstellung zu verschiedenen Zeitpunkten des Einschaltvorganges bei unverbrauchten Kontakten,
    Figuren 4 bis 5
    das elektromagnetische Schaltgerät zu verschiedenen Zeitpunkten des Einschaltvorganges nach einer Vielzahl von Schaltzyklen, wenn die Kontakte einen signifikanten Abbrand aufweisen,
    Figuren 6 bis 9
    jeweils Diagramme, in denen die Spannung über der Magnetspule und der durch sie flieβende Strom, die Magnetkraft und die Federkraft, der Abstand zwischen Magnetanker und Joch und die Geschwindigkeit des Magnetankers bzw. seine Beschleunigung jeweils gegen die Zeit aufgetragen sind, und
    Figur 10 in
    schematischen Darstellung ein Schaltgerät mit einer Einrichtung zur verbesserten Bestimmung des Abbrandes der Kontakte.
  • Gemäß Figur 1 enthält ein elektromagnetisches Schaltgerät, im dargestellten Beispiel ein Schütz, ein Magnetjoch 2, auf dem zwei Magnetspulen 4 zur magnetischen Erregung angeordnet sind. Ein dem Magnetjoch 2 zugeordneter Magnetanker 6 ist durch Druckfedern 8 federnd in einem nur symbolisch veranschaulichten Gehäuse 10 des Schaltgerätes gelagert. Magnetjoch 2, Magnetspule 4 und Magnetanker 6 bilden einen elektromagnetischen Antrieb des Schaltgerätes. Der Magnetanker 6 ist kraftschlüssig über eine Kontaktfeder 12 mit einer beweglichen Kontaktbrücke 14 verbunden. Der beweglichen Kontaktbrücke 14 sind zwei feststehende Kontaktträger 16 zugeordnet. Der Magnetanker 6 bildet den Aktuator des magnetischen Antriebs für die Relativbewegung zwischen der Kontaktbrücke 14 und dem Kontaktträger 16.
  • Die Kontaktbrücke 14 und der feststehende Kontaktträger 16 sind jeweils mit Kontaktstücken oder Kontakten 18 versehen, die im neuen Zustand eine Dicke D0 aufweisen. Der durch die bewegliche Kontaktbrücke 14 und den feststehenden Kontaktträger 16 gebildete Schaltkontakt befindet sich in geöffneter Stellung. In diesem ausgeschalteten Zustand befinden sich die Kontakte 18 in einem Abstand S0 und die Polflächen 20 und 60 des Magnetjochs bzw. des Magnetankers 6 befinden sich in einem Abstand H.
  • Beim Einschalten der Magnetspulen 4 setzt sich der Magnetanker 6 gegen die Wirkung der Druckfedern 8 in Richtung zum Magnetjoch 2 in Bewegung, wie dies in der Figur durch die Pfeile veranschaulicht ist.
  • Figur 2 zeigt nun eine Situation, in der sich die Kontakte 18 erstmals berühren, der Magnetanker 6 somit eine Wegstrecke S0 zurückgelegt hat. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Polflächen 20, 60 in einem Abstand d0 = H-s0. Dieser Abstand d0 entspricht dem Durchdruck des Schaltgeräts bei unverbrauchten Kontakten 18. Die weitere Schließbewegung des Magnetankers 6 erfolgt nun gegen die Wirkung der Kontaktfeder 12 und der dazu parallel geschalteten Druckfeder 8. Da die von der Kontaktfeder 12 ausgeübte Federkraft deutlich größer ist als die von der Druckfeder 8 ausgeübte Federkraft, steigt die auf den Magnetanker 6 wirkende Federkraft sprunghaft an und bewirkt eine signifikante Änderung des Verlaufs der Schließbewegung.
  • Im weiteren Verlauf wird die auf den Magnetanker 6 wirkende Magnetkraft größer als die von der Druckfeder 8 und der Kontaktfeder 12 ausgeübte Federkraft, und der Magnetanker 6 kann sich weiter in Richtung zum Magnetjoch 2 bewegen, bis er schließlich, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, in einer End- oder Ruheposition mit seinen Polflächen 60 auf den Polflächen 20 des Magnetjochs 2 aufliegt.
  • In Figur 4 ist nun ein Situation dargestellt, in der die Kontakte 18 nach einer Vielzahl von Schaltzyklen bereits erheblich abgebrannt sind, und nur noch eine Dicke D1 < D0 aufweisen. Entsprechend befinden sich die Kontaktstücke 18 im ausgeschalteten Zustand in einem Abstand s1 der deutlich größer ist als der Abstand s0 im Neuzustand. Werden nun die Magnetspulen 4 erregt, d.h. der Einschaltvorgang eingeleitet, bewegt sich der Magnetanker 6 mit wachsender Geschwindigkeit in Richtung zum Magnetjoch 2, bis sich nach einer diesem Abstand s1 entsprechenden Wegstrecke gemäß Figur 5 die Kontakte 18 erstmals berühren. Dies ist bei einem Abstand d1 der Polflächen 20, 60 der Fall, für den ebenfalls gilt d1 = H-s1. Der Figur ist nun zu entnehmen, dass dieser Abstand d1, d.h. der Durchdruck auf Grund der geringen Dicke D1 der Kontakte 18 signifikant gegenüber dem Durchdruck im neuen Zustand verringert ist.
  • Im Diagramm gemäß Figur 6 ist der durch die Magnetspulen fließende Strom I (Kurve a) und die an den Magnetspulen anliegende getaktete Gleichspannung U (Kurve b) gegen die Zeit t aufgetragen. Im dargestellten Beispielfall handelt es sich um ein Schaltgerät, das mit einem beispielsweise aus der WO 2005/017933 A1 bekannten Verfahren angesteuert wird, um durch eine Regelung der Beschleunigung des Magnetankers die Schließgeschwindigkeit, mit der die Kontakte einerseits und die Pole andererseits aufeinandertreffen, einzustellen. Dieser Figur ist nun zu entnehmen, dass der Strom I bis zum Zeitpunkt tk des Schließens der Kontakte stetig abnimmt, um ab diesem Zeitpunkt tk kurzfristig erneut anzusteigen. Dieser Anstieg ist erforderlich, um die ab dem Zeitpunkt tk wirkende sprunghaft erhöhte Federkraft auf den Magnetanker durch eine entsprechend höhere Magnetkraft zu kompensieren.
  • Dies ist deutlich im Diagramm gemäß Figur 7 zu erkennen. In diesem Diagramm ist die Magnetkraft FM (Kurve c) und die Federkraft Fs (Kurve d) gegen die Zeit t aufgetragen. Im Zeitpunkt tk des Kontaktschlusses steigt die Federkraft Fs sprunghaft an. Kurzzeitig kann dieser Anstieg nicht durch die Magnetkraft kompensiert werden. Erst im weiteren Verlauf kann die Magnetkraft wieder die Federkraft übersteigen.
  • Im Diagramm gemäß Figur 8 ist der Weg s des Magnetankers (Kurve e) und seine Geschwindigkeit v (Kurve f) ebenfalls gegen die Zeit t aufgetragen. Zu Beginn des Einschaltvorgangs befindet sich der Magnetanker (Aktuator) mit seinen Polflächen im Abstand H von den Polflächen des Magnetjochs. Die Geschwindigkeit v, mit der sich der Magnetanker zum Magnetjoch hin bewegt, steigt nach einer gewissen Zeitverzögerung stetig mit einer annähernd konstanten Beschleunigung an. Ursache hierfür ist die vorstehend erwähnte Steuerung der Ankerbewegung, durch die sichergestellt wird, dass die Geschwindigkeit des Magnetankers nicht zu groß wird. Zum Schließzeitpunkt tk, d.h. nachdem der Anker und damit auch die Kontakte eine Wegstrecke w = s zurückgelegt haben, sinkt die Geschwindigkeit v rapide bis zu einem Minimum ab, um dann auf Grund der erneut zunehmenden Magnetkraft FM auf den Sollwert von etwa 0,5 m/s anzusteigen. Dieser auf Grund der sprunghaft zunehmenden Federkraft Fs erfolgende Einbruch der Geschwindigkeit v ist ein signifikantes Indiz für den Schließzeitpunkt tk der Kontakte. Dieser Schließzeitpunkt tk ist dann der Zeitpunkt t, in dem gilt v(t+δt) < v(t). Zum Schließzeitpunkt tk befindet sich der Magnetanker im Abstand d vom Magnetjoch. Dieser Abstand d entspricht dem vorhandenen Durchdruck. Der Magnetanker (Aktuator) legt bis zu seiner Endposition noch eine Wegstrecke zurück, die diesem Abstand d entspricht.
  • In Fig. 9 ist die Beschleunigung b des Magnetankers in einer logarithmischen Skala gegen die Zeit aufgetragen. Der Kurve g ist zu entnehmen, dass die Beschleunigung b schnell auf einen annähernd konstanten Wert ansteigt und im Zeitpunkt des Kontaktschließens aufgrund des Geschwindigkeitseinbruches einen Vorzeichenwechsel erfährt. Dieser Vorzeichenwechsel kann bei einer Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Beschleunigung b besonders einfach erkannt und zum Bestimmen des Schließzeitpunktes tk herangezogen werden.
  • Die in Figuren 6 bis 9 dargestellten Diagramme dienen zur beispielhaften Erläuterung der beim Einschalten eines elektromagnetischen Schaltgerätes vorliegenden physikalischen Verhältnisse. Der in Figur 8 und 9 dargestellte Einbruch der Geschwindigkeit bzw. Vorzeichenwechsel der Beschleunigung ergibt sich auch dann, wenn das elektromagnetische Schaltgerät ungeregelt oder nach einem anderen Regelverfahren betrieben wird. Wird nun mit Hilfe eines geeigneten Sensors die Geschwindigkeit v oder die Beschleunigung entweder unmittelbar durch einen Geschwindigkeitssensor bzw. Beschleunigungssensor erfasst, kann aus deren Verlauf der Schließzeitpunkt tk besonders einfach ermittelt werden. Grundsätzlich kann der Schließzeitpunkt tk auch aus einem mit einem Wegsensor gemessenen Signal abgeleitet werden, indem dieses einmal oder zweimal differenziert wird.
  • Gemäß Figur 10 ist bei einem Schaltgerät gemäß der Erfindung an den Magnetanker 6 unmittelbar ein Sensor 22 angekoppelt, der als Geschwindigkeitssensor, Beschleunigungssensor oder Wegsensor ausgeführt sein kann. Mit diesem Sensor 22 wird die Relativbewegung der Kontakte 18 mittelbar erfasst und in einer Auswerteeinrichtung 25 ausgewertet. Bei der Auswertung wird der Zeitpunkt tk aus dem Wechsel der Beschleunigung b oder dem Einbruch der Geschwindigkeit v vermittelt. Die restliche Strecke d (Durchdruck) oder die bis zu diesem Zeitpunkt tk zurückgelegte Strecke s ist unmitt elbar aus dem Weg-ZeitVerlauf w(t) des Aktuators (Magnetanker 6) entnehmbar. Dabei kann die Auswerteeinrichtung 25 auch die Differentiation bzw. Integration des vom Sensor 22 erzeugten Bewegungssignals übernehmen.
  • Alternativ dazu kann ein Sensor 24 an der beweglichen Kontaktbrücke 14 angeordnet sein. Im Falle eines Wegsensors können die Strecken s0 bzw. s1 direkt ausgemessen werden. Im Falle eines Geschwindigkeitssensors kann die Geschwindigkeit v unmittelbar als Funktion der Zeit ermittelt werden. In diesem Fall ist der Schließzeitpunkt tk der Zeitpunkt, in dem die Bewegung endet und die Geschwindigkeit v des beweglichen Kontakts 18 gleich Null wird.
  • Im Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 22,24 mechanisch an die bewegten Teile - Magnetanker 6 oder beweglicher Kontakt 18 gekoppelt. Grundsätzlich können jedoch auch berührungslos arbeitende Sensoren verwendet werden, die den Abstand des relevanten bewegten Teils zu einem feststehenden Gehäuseteil messen.
  • Ist der Zeitpunkt tk des Schließens der Kontakte bekannt, kann aus diesem je nach verwendeten Sensor entweder unmittelbar oder mittelbar die bis zu diesem Zeitpunkt vom Magnetanker 6 und damit von den Kontakten 18 zurückgelegte Wegstrecke s bestimmt werden.
  • Ist für das Beispiel der Fig. 4 die Wegstrecke s1 bekannt, kann durch Vergleich mit einem gespeicherten Referenzwert s0 unmittelbar auf den Abbrand D0-D1 und damit auch auf die Restlebensdauer der Kontakte geschlossen werden. Für den Abbrand D0-D1 ergibt sich die Beziehung D 0 - D 1 = s 1 - s 0 / 0
    Figure imgb0001
    unter der Voraussetzung, dass sich der Abbrand D0-D1 auf die einander gegenüberliegenden Kontakte gleichmäßig verteilt. Mathematisch äquivalent hierzu kann auch aus der Wegstrecke s1 der Abstand d1 der Polflächen von Magnetjoch und Magnetanker berechnet werden. Dieser ergibt sich dann durch die Differenz aus dem gespeicherten Wert H für den Abstand der Polflächen im geöffneten Zustand und der zurückgelegten Wegstrecke mit d 1 = H - s 1
    Figure imgb0002
  • Für den Abbrand D0-D1 gilt dann D 0 - D 1 = d 0 - d 1 / 2.
    Figure imgb0003
  • Wird der Abstand d1 unmittelbar als Wegstrecke gemessen, die der Aktuator (Magnetanker) ab dem Zeitpunkt tk bis zu seiner Endposition zurücklegt, kann der Abbrand D0-D1 mit der vorstehenden Gleichung unmittelbar berechnet werden, wenn der Abstand d0 (Durchdruck) bei unverbrauchten Kontakten als Referenzwert gespeichert ist.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Bestimmen des Abbrandes von Kontakten (18) eines elektromagnetischen Schaltgerätes, bei dem
    - während des Einschaltens eine den zeitlichen Verlauf der von einem Aktuator verursachten Relativbewegung zwischen den Kontakten (18) charakterisierende mechanische Größe (v,b,w) gemessen wird,
    - die Größe (v,b,w) mit einem mechanisch mit dem Aktuator gekoppelten Sensor (22) gemessen wird, wobei als Sensor (22) ein Geschwindigkeitssensor, ein Beschleunigungssensor oder ein Wegsensor verwendet wird,
    - durch Auswertung des zeitlichen Verlaufes der Relativbewegung derjenige Zeitpunkt (tk) ermittelt wird, in dem die Kontakte (18) schließen,
    - die bis zu diesem Zeitpunkt (tk) von dem oder den Kontakten (18) oder die ab diesem Zeitpunkt (tk) vom Aktuator bis zu dessen Endposition zurückgelegte Wegstrecke (s, s0, s1, d, d0, d1) zumindest mittelbar erfasst und mit einem gespeicherten Referenzwert verglichen wird.
  2. Elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Einrichtung zum Bestimmen des Abbrandes seiner Kontakte (18), mit
    - einer Messeinrichtung zum Messen einer den zeitlichen Verlauf der von einem Aktuator verursachten Relativbewegung zwischen den Kontakten (18) charakterisierenden mechanischen Größe (v,b,w), wobei die Messeinrichtung einen mechanisch mit dem Aktuator gekoppelten Sensor (22) zum Messen der Größe umfasst, und wobei der Sensor (22) ein Geschwindigkeitssensor, ein Beschleunigungssensor oder ein Wegsensor ist,
    - einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Zeitpunktes (tk), in dem die Kontakte schließen, aus dem zeitlichen Verlauf der Relativbewegung, und zum wenigstens mittelbaren Erfassen der bis zu diesem Zeitpunkt (tk) von dem oder den Kontakten (18) oder die ab diesem Zeitpunkt (tk) vom Aktuator bis zu dessen Endposition zurückgelegte Wegstrecke (s, s0, s1, d, d0, d1), und zum Vergleichen dieser Wegstrecke (s, s0, s1, d, d0, d1) mit einem gespeicherten Referenzwert (s0).
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