EP2537169A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausschalten eines schalters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ausschalten eines schalters

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Publication number
EP2537169A1
EP2537169A1 EP11700661A EP11700661A EP2537169A1 EP 2537169 A1 EP2537169 A1 EP 2537169A1 EP 11700661 A EP11700661 A EP 11700661A EP 11700661 A EP11700661 A EP 11700661A EP 2537169 A1 EP2537169 A1 EP 2537169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact
switching
switch
pulse
mating contact
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11700661A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Paulus
Mathias Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EGO Elektro Geratebau GmbH
Original Assignee
EGO Elektro Geratebau GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EGO Elektro Geratebau GmbH filed Critical EGO Elektro Geratebau GmbH
Publication of EP2537169A1 publication Critical patent/EP2537169A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H7/00—Devices for introducing a predetermined time delay between the initiation of the switching operation and the opening or closing of the contacts
    • H01H7/16—Devices for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the AC cycle

Definitions

  • the invention relates to a method for switching off a switch or for separating a switching contact of a mating contact and a corresponding device, which thus preferably an arc-free switching off can be achieved.
  • the invention has for its object to provide an aforementioned method and a corresponding device with which problems of the prior art can be avoided and in particular a safe and low-wear method for switching and a corresponding switch can be achieved.
  • the switch turns AC, advantageously with a frequency of 50/60 Hz at 100 to 400 volts and current to about 16A, so in the household or industrial.
  • a mechanical impulse given to the switch or a contact with a pulse direction for separating switching contact and mating contact, and the pulse is moving in the direction in which switching contact and mating contact separate from one another. This not only generally a lighter separation of switching contact and mating contact can be achieved.
  • phase angle found within the scope of the invention is about 13 °. With slower systems it can be a bit higher it may also be less in nimble or less sluggish systems, for example more in the direction of the aforementioned 5 ° or of the said 10 °.
  • the determination of the correct phase angle is important because the time window for the timely triggering of the pulse is only about 100 seconds.
  • a corresponding short pulse is given to the switch or a contact. If a switching or disconnection of the contacts then take place, the contacts are separated from one another at the time when the contact force is very low, or at the next half-wave, and the switch is opened. This opening is then carried out in accordance with the system tuned phase angle exactly in the zero crossing of the current and thus without arc.
  • the method in a fundamentally alternative embodiment, characterized in that in addition still the contact force is measured, advantageously permanently detected.
  • the contact force is measured, advantageously permanently detected.
  • a pulse does not have to be triggered permanently or too frequently or has to be applied to the switch, but only if the contact force falls below a certain contact force threshold.
  • Such a fall below is a sure sign that the switch should switch very soon or separate the switch contact from the mating contact. So can For example, be provided that the contact force threshold between 0.01 N and 0.03 N, advantageously about 0.02 N, is.
  • the phase angle is advantageously permanently detected, particularly advantageous with a known current detection.
  • the detection of the current or the orientation of the switching time on the current curve has the advantage over the voltage curve that then, especially when switching inductive loads with phase shift fewer problems or less spark or arc development occurs.
  • the current detection is just more accurate. Because the usually thermal drive of such a switch is relatively slow, one has sufficient time to switch from several half cycles when the contact force has dropped below a certain value from which the pulse leads to the correct switching until the time when the contact force Without the provision of the invention, the switch would switch to normal and the arc would possibly be produced.
  • the two contacts abut one another with a force of approximately 0.4 N to 0.6 N.
  • the pulse is relatively short and may have a duration of a few msec. This can be, for example, at least 2 msec to 4 msec, advantageously 3 msec. Longer impulses bring no advantages, but have no negative effect.
  • a deflection of said pulse may also be in the range of a few ⁇ , advantageously about 15 ⁇ to 50 ⁇ . Particularly advantageously, a pulse has a deflection of about 30 ⁇ .
  • the applied impulse force can be extremely low, advantageously less than 0.5 N, which accommodates a MEMS use.
  • a usable in an embodiment of the invention MEMS system may also have a corresponding switching logic, which is as it were capable of learning or adaptive.
  • a corresponding switching logic which is as it were capable of learning or adaptive.
  • a named MEMS component can advantageously contain all functions, ie a piezoelectric element both as an actuator for the pulse and as a sensor for measuring the contact force. Likewise, a switching logic may be included. An energy supply is easily possible through an additional contact.
  • the pulse acts on a switching drive, preferably a switching arm, which carries the switching contact, possibly also acts on the switching contact itself. Then the separation of switching contact and mating contact can be promoted directly.
  • the pulse can be made on the mating contact or a device carrying the mating contact, at least as long as this is not formed too massive or heavy or stiff compared to other switching. It is possible in an advantageous embodiment of the invention that an actuator that generates the pulse, applied directly to the mating contact. In a particularly preferred embodiment of the invention, such an actuator can even bear the mating contact or form the mounting base for it.
  • the invention is used in a switch which is thermally driven or by thermal expansion elements such as bimetal elements or the like, as described for example in the aforementioned DE 102006057260 A1, is triggered.
  • an actuator can be advantageously used a magnetic, thermal or piezoelectric actuator.
  • a magnetic, thermal or piezoelectric actuator For the sake of simplicity and because of their robust design piezo actuators are preferred.
  • an actuator can be used simultaneously for a contact force measurement between the switching contact and the mating contact, in particular with MEMS insert.
  • an aforementioned piezoelectric actuator can be used particularly well, so that thereby the constructive as well as the control effort decreases.
  • a MEMS chip could have the complete sensor system and the actuator as well as the evaluation and control for it as well as possibly adaptive control electronics.
  • the invention or a switching device according to the invention generally in switches, particularly advantageous on the one hand with switches with snap springs, which are triggered thermally or by bimetals, for example according to EP 1569257 A, and on the other also in relays, in particular magnetic relay. Even there, the switching operations can be improved.
  • Fig .1 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 2 is a representation of the time course of current
  • the illustrated switching device 1 1 or the switch 12 has a switching contact 15 on a switching arm 14.
  • This switching arm 14 is fixedly mounted on the left of a Wegarmbasis 16.
  • a trigger 18 which is, for example, a rod in a rod regulator, as it is known for example from EP 1569257 A.
  • it may be the trigger of a solenoid relay, piezo device or MEMS. It can be seen that the trigger 18 presses down on the switching arm 14 for the purpose of triggering the scarf separation process.
  • the switching contact 15 is located at the top befindlichem switching arm 14 to a mating contact 20.
  • the mating contact 20 is mounted or fixed on a piezo-element 22, which in turn is arranged on a mating contact base 23.
  • the piezo-element 22 forms the above-mentioned force sensor for detecting the contact force. Furthermore, it also simultaneously forms the actuator, which gives a mechanical impulse to the switch 12.
  • the piezo element 22 is briefly activated. Since it is fixed in this direction due to its storage on the stable mating contact base 23, it gives its impulse to the overlying mating contact and in turn to the applied switching contact 15 on the switching arm 14 on.
  • the switching behavior is described with reference to FIG. 2.
  • the current is shown with a sinusoidal profile over the phase angle. For a frequency of 50 Hz, a full wave or its phase angle of 360 ° corresponds to a time of 20 msec.
  • FIG. 2 shows the contact force with which the switching contact 15 bears against the mating contact 20. It decreases in the example shown, which advantageously does not necessarily have to be linear. It can be seen that, as shown in dashed lines, the contact force is eventually zero or less than zero and then normally the switching arm 14, which is designed as a snap-in spring initially mentioned, moves so that it separates the switch contact 15 from the mating contact 20. Since, however, the current continues to flow here, or a distance from its next zero crossing, an arc lasting for several milliseconds is produced or would arise.
  • the phase angle of the current is permanently detected.
  • This contact force is reached in the example shown at about 0.02 N when the phase angle is a total of about 420 °, ie long before the next zero crossing. If then the time is detected in which the current has a phase angle of about 13 ° before a next zero crossing, so here the contact force has fallen again slightly below 0.02 N.
  • a controller not shown can recognize both conditions as fulfilled and causes the piezo element 22 as an actuator to deliver a short pulse. This pulse is, as shown in Fig.
  • the piezo-element 22 as an actuator can produce a pulse with an aforementioned deflection of about 30 ⁇ and a force of a little less than 0.5 N. Its duration is for example 3 msec.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt bei einem Schalter, der Wechselstrom schaltet, wird mit einem Phasenwinkel von etwa 13° vor einem nächsten oder einem darauf folgenden Nulldurchgang des Stromes ein kurzer mechanischer Impuls auf den Schalter gegeben mit Impulsrichtung zum Trennen der Kontakte. Dazu ist ein Piezo-Aktor am Gegenkontakt vorgesehen. Dieser kann auch die anliegende Kontaktkraft messen, so dass der Impuls neben dem genannten Phasenwinkel erst bei einer sehr geringen, gegen Null gehenden Kontaktkraft ausgelöst wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ausschalten eines Schalters
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausschalten eines Schalters bzw. zum Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt sowie eine entsprechende Vorrichtung, wobei damit vorzugsweise ein lichtbogenfreies Ausschalten erreicht werden kann.
Beim Ausschalten von Schaltern bzw. beim Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt besteht häufig das Problem, dass bei einem noch fließenden Strom, insbesondere auch bei einem Wechselstrom, ein Lichtbogen entstehen kann, der sowohl die Trennung der Kontakte verzögern kann als auch die Kontakte beschädigt. Vor allem bei einem Wechselstrom, beispielsweise 50 Hz, kann beim Trennen der Kontakte ein Lichtbogen durch den geringen Kontaktabstand immer bis zum folgenden Nulldurchgang des Stroms bestehen bleiben. Dies kann eine Dauer von maximal knapp 10 msec sein. Eine theoretische Möglichkeit ist zwar ein kraftbeaufschlagtes sehr schnelles Ausschalten des Schalters bzw. Trennen der Kontakte, dies wird aber in der Praxis immer noch nicht schnell genug erreicht. Ein Lichtbogen entsteht dennoch. Dies gilt auch für spezielle Schalter, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2006 057 260 A1 bekannt sind. Eine Art Schnappfeder soll hier beim Überschreiten eines Auslösepunktes für ein schnelles Schalten sorgen. Dennoch kann auch hier nicht vermieden werden, dass im Schnitt ein vorbeschriebener Lichtbogen mit wenigen msec Dauer entsteht.
Aus der DE 1096453 ist es bekannt, bei einem ähnlichen Schalter der auf Schaltkontakt und Gegenkontakt wirkenden Kraft eine ständig pulsierende kleine zusätzliche Kraft in Phase mit dem Strom zu überlagern. So kann ein Ausschalten des Schalters ungefähr um den Nulldurchgang des Stromes bewirkt werden. Es muss aber eben ständig die Kraft aufgebracht werden.
Aus der DE 1 1 13745 ist ein ähnlicher Schalter bekannt. Hier wird explizit von Vibrationen gesprochen, die helfen sollen, ein Kleben bzw. Verschweißen von Schaltkontakt und Gegenkontakt zu verhindern.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik vermieden werden können und insbesondere ein sicheres sowie verschleißarmes Verfahren zum Schalten sowie ein entsprechender Schalter erreicht werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Manche der nachfolgenden Merkmale werden nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung gel- ten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Es ist vorgesehen, dass der Schalter Wechselstrom schaltet, vorteilhaft mit einer Frequenz von 50/60 Hz bei 100 bis 400 Volt sowie Strom bis etwa 16A, also im Haushalts- oder Industriebereich. Erfindungsgemäß wird mit einem Winkel bzw. Phasenwinkel zwischen 5° und 20°, vorteilhaft zwischen 10° bis 18°, besonders vorteilhaft etwa 13°, vor einem Nulldurchgang des Stromes ein mechanischer Impuls auf den Schalter bzw. einen Kontakt gegeben. Dieser Impuls weist insbesondere eine Impulsrichtung zum Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt auf bzw. der Impuls geht in die Richtung, in die sich Schaltkontakt und Gegenkontakt voneinander trennen. Damit kann nicht nur allgemein eine leichtere Trennung von Schaltkontakt und Gegenkontakt erreicht werden. Im Rahmen der zu der Erfindung führenden Entwicklung ist herausgefunden worden, dass bei einem solchen vorgenannten Phasenwinkel ein Impuls auf den Schalter das Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt zum selbstständigen Ausschalten genau im Nulldurchgang des Laststromes führt. Die mechanische Trägheit des Schalters bzw. die Gesamt-Verzögerung des Systems bewirkt dabei, dass ein entsprechender Impuls kurz vor dem Nulldurchgang des Stromes bei ausreichend kleiner Kontaktkraft, wie sie beim zu erwartenden Ausschalten des Kontaktes auftritt, die Kontakte trennt.
Ist die anliegende Kontaktkraft, die Schaltkontakt und Gegenkontakt gegeneinander drückt, noch ausreichend bzw. sehr groß, so kann der kurze Impuls nichts ausrichten bzw. die Kontakte bleiben verbunden. Erst wenn eine bestimmte Kontaktkraftschwelle unterschritten wird und mit dem angegebenen Phasenwinkel der Impuls ausgelöst wird, erfolgt das Trennen der Kontakte bei dem nächsten Nulldurchgang des Stromes. Ein im Rahmen der Erfindung gefundener besonders vorteilhafter Phasenwinkel beträgt etwa 13°. Bei trägeren Systemen kann er etwas höher liegen, bei flinkeren bzw. weniger trägen Systemen kann er auch weniger betragen, beispielsweise mehr in Richtung der genannten 5° oder aber der genannten 10°. Die Bestimmung des richtigen Phasenwinkels ist deswegen von Bedeutung, weil das Zeitfenster für das zeitrichtige Auslösen des Impulses nur etwa 100 sec beträgt.
In einer ersten einfachen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mit dem genannten Phasenwinkel vor jedem Nulldurchgang ein entsprechender kurzer Impuls auf den Schalter bzw. einen Kontakt gegeben wird. Soll dann ein Schalten bzw. Trennen der Kontakte erfolgen, so werden zu dem Zeitpunkt, zu dem die Kontaktkraft eben sehr gering wird, bzw. bei der nächsten Halbwelle die Kontakte voneinander getrennt und der Schalter wird geöffnet. Dieses Öffnen erfolgt dann bei entsprechend auf das System abgestimmtem Phasenwinkel genau im Nulldurchgang des Stroms und somit ohne Lichtbogen. Dies ist eine einfache Ausgestaltung der Erfindung, bei der der konstruktive und messtechnische Aufwand begrenzt wird. Dafür muss eben in Kauf genommen werden, dass sehr häufig bzw. im geschlossenen Zustand des Schalters bei jeder Halbwelle der Impuls ausgelöst werden muss. Hier kommt es zwar im Betrieb ab und zu zur Entstehung eines Lichtbogens. Der Verschleiß ist aber immerhin auf etwa 10% dessen gesenkt, was ohne die Erfindung gemäß dieser Ausgestaltung üblich ist.
Verbessert bzw. noch genauer gemacht werden kann das Verfahren in einer grundsätzlich alternativen Ausgestaltung dadurch, dass zusätzlich noch die Kontaktkraft gemessen wird, vorteilhaft permanent erfasst wird. Dann kann nämlich vorgesehen werden, dass ein solcher Impuls nicht permanent oder zu häufig ausgelöst bzw. auf den Schalter gegeben werden muss, sondern nur dann, wenn die Kontaktkraft eine bestimmte Kontaktkraftschwelle unterschreitet. Ein solches Unterschreiten ist nämlich ein sicheres Anzeichen dafür, dass sehr bald der Schalter schalten soll bzw. den Schaltkontakt vom Gegenkontakt trennen soll. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kontaktkraftschwelle zwischen 0,01 N und 0,03 N, vorteilhaft etwa 0,02 N, beträgt. Dann ist üblicherweise damit zu rechnen, dass eben die Kontaktkraft weiterhin absinkt und beim nächsten vorgenannten Phasenwinkel zwischen 5° und 20° bzw. zwischen 10° und 18° vor einem Nulldurchgang des Stromes der Impuls ausgelöst wird, so dass dann genau beim nächsten Nulldurchgang Schaltkontakt und Gegenkontakt voneinander getrennt werden.
Auch der Phasenwinkel wird vorteilhaft permanent erfasst, besonders vorteilhaft mit einer an sich bekannten Stromerfassung. Das Erfassen des Stromes bzw. die Ausrichtung des Schaltzeitpunktes am Stromverlauf weist gegenüber dem Spannungsverlauf den Vorteil auf, dass dann vor allem beim Schalten von induktiven Lasten mit Phasenverschiebung weniger Probleme bzw. geringere Funken- oder Lichtbogenentwicklung auftritt. Hier ist die Stromerfassung eben genauer. Weil der üblicherweise thermische Antrieb eines solchen Schalters relativ langsam ist, hat man eine ausreichende Zeit von mehreren Halbwellen zum Schalten, wenn die Kontaktkraft unter einen bestimmten Wert gefallen ist, ab dem der Impuls zum richtigen Schalten führt, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Kontaktkraft ohne das Vorsehen der Erfindung zu Null wird bzw. der Schalter auf normale Art und Weise schalten würde und dabei möglicherweise ein Lichtbogen entstehen würde.
Besondere Rechnung kann man der Charakteristik des Lichtbogens tragen, wenn immer so geschaltet wird, dass der stabilere bzw. massivere oder schwerere Kontakt anodisch ist bzw. positiv gegenüber dem anderen Kontakt. Üblicherweise ist dies der Gegenkontakt, da er auch an einem stärkeren und somit die Wärme besser ableitenden Träger angeordnet ist. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass bei einem möglicherweise doch entstehenden Lichtbogen die Temperatur und somit die Beschädigung dort größer ist, wo der anodische Kontakt ist. An diesem massiveren Kontakt kann die entstehende Wärme besser abtransportiert werden.
Üblicherweise liegen bei einem eingangs genannten Schnappschalter die beiden Kontakte mit einer Kraft von etwa 0,4 N bis 0,6 N aneinander an.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Impuls relativ kurz und kann eine Dauer von wenigen msec aufweisen. Dies können beispielsweise mindestens 2 msec bis 4 msec sein, vorteilhaft 3 msec. Längere Impulse bringen keine Vorteile, haben aber auch keine negative Auswirkung.
Eine Auslenkung eines genannten Impulses kann ebenfalls im Bereich einiger weniger μητι liegen, vorteilhaft etwa 15 μητι bis 50 μητι. Besonders vorteilhaft weist ein Impuls eine Auslenkung von etwas 30 μητι auf. Die dabei aufzubringende Impulskraft kann äußerst gering sein, vorteilhaft geringer als 0,5 N sein, was einem MEMS-Einsatz entgegenkommt.
Ein in Ausgestaltung der Erfindung verwendbares MEMS-System kann auch eine entsprechende Schaltlogik aufweisen, die sozusagen lernfähig bzw. adaptiv ist. So kann erfasst werden, ob auch tatsächlich bei einem einmal eingestellten Phasenwinkel das Trennen der Kontakte ohne Lichtbogen erfolgt. Sollten sich hier Änderungen oder Verschiebungen im Schalter- bzw. Gesamtsystem ergeben, so kann der Phasenwinkel nachjustiert werden, um die Entstehung von Lichtbögen vermeiden zu können. Des Weiteren kann hier sogar vorgesehen sein, dass in eine solche Steuerung einprogrammiert ist, dass doch in zwar großen, aber wiederkehrenden Abständen ein Lichtbogen gezielt erzeugt wird. Dieser weist nämlich den Vorteil auf, dass ansonsten mit der Zeit oxidierte Oberflächen der Kontakte gesäubert werden, so dass sich daraus ein positiver Effekt ergeben kann. Hier reicht aber voraussichtlich eine Häufigkeit von einem Lichtbogen nach 500 bis 1.000 Schaltvorgängen.
Ein genanntes MEMS-Bauteil kann vorteilhaft sämtliche Funktionen beinhalten, also ein Piezo-Element sowohl als Aktor für den Impuls als auch als Sensor für die Messung der Kontaktkraft. Ebenso kann eine Schaltlogik enthalten sein. Eine Energieversorgung ist leicht durch einen zusätzlichen Kontakt möglich.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass der Impuls auf einen Schaltantrieb einwirkt, vorzugsweise einen Schaltarm, der den Schaltkontakt trägt, möglicherweise auch auf den Schaltkontakt selbst einwirkt. Dann kann direkt das Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt gefördert werden.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung kann der Impuls auf den Gegenkontakt oder eine den Gegenkontakt tragende Einrichtung erfolgen, zumindest solange diese nicht im Vergleich zum sonstigen Schalten allzu massiv oder schwer oder steif ausgebildet ist. Dabei ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass ein Aktor, der den Impuls erzeugt, direkt an dem Gegenkontakt anliegt. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann ein solcher Aktor den Gegenkontakt sogar tragen bzw. die Befestigungsbasis dafür bilden.
Vorteilhaft wird die Erfindung bei einem Schalter eingesetzt, der thermisch angetrieben ist bzw. durch thermische Ausdehnungselemente wie Bimetallelemente odgl., wie sie beispielsweise in der eingangs genannten DE 102006057260 A1 beschrieben sind, ausgelöst wird.
Als Aktor kann vorteilhaft ein magnetischer, thermischer oder Piezo-Ak- tor verwendet werden. Der Einfachheit halber sowie wegen ihrer robusten Ausbildung werden Piezo-Aktoren bevorzugt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung gemäß der vorgenannten zweiten grundsätzlichen Alternative kann ein Aktor gleichzeitig für eine Kontaktkraftmessung zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt verwendet werden, insbesondere mit MEMS-Einsatz. Hierfür kann besonders gut ein vorgenannter Piezo-Aktor verwendet werden, so dass dadurch der konstruktive sowie auch der Ansteuerungsaufwand sinkt. Ein MEMS- Chip könnte die komplette Sensorik und den Aktor aufweisen sowie die Auswertung und Steuerung dafür sowie eine ggf. adaptive Steuerelektronik.
Verwendet werden kann die Erfindung bzw. eine erfindungsgemäße Schaltvorrichtung allgemein bei Schaltern, besonders vorteilhaft zum Einen bei Schaltern mit Schnappfedern, die thermisch bzw. von Bimetallen auslösbar sind, beispielsweise gemäß der EP 1569257 A, und zum Anderen auch bei Relais, insbesondere Magnetrelais. Auch dort können die Schaltvorgänge verbessert werden.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwi- schen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig .1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einem kombinierten Aktor samt Sensor am Gegenkontakt eines Schalters,
Fig. 2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Strom sowie
Kontaktkraft und Ausschalten mit und ohne die Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die dargestellte Schaltvorrichtung 1 1 bzw. der Schalter 12 weist an einem Schaltarm 14 einen Schaltkontakt 15 auf. Dieser Schaltarm 14 ist links an einer Schaltarmbasis 16 fest gelagert. Er kann jedoch durch einen Auslöser 18, welcher beispielsweise ein Stab bei einem Stabregler ist, wie er beispielsweise aus der EP 1569257 A bekannt ist, gebildet sein. Alternativ kann es der Auslöser eines Magnetrelais, Piezobauteils oder MEMS sein. Es ist zu erkennen, dass der Auslöser 18 nach unten auf den Schaltarm 14 drückt zwecks Auslösung des Schal Trennvor- gangs.
In der Geschlossen-Stellung des Schalters 12 liegt der Schaltkontakt 15 bei oben befindlichem Schaltarm 14 an einem Gegenkontakt 20 an. Somit kann Strom durch das Kontaktpaar fließen. Der Gegenkontakt 20 ist auf einem Piezo-Element 22 gelagert bzw. befestigt, welches wiederum an einer Gegenkontaktbasis 23 angeordnet ist. Das Piezo-Element 22 bildet den eingangs genannten Kraftsensor zur Erfassung der Kontaktkraft. Des Weiteren bildet es auch gleichzeitig den Aktor, der einen mechanischen Impuls auf den Schalter 12 gibt. Dazu wird das Piezo- Element 22 kurz angesteuert. Da es aufgrund seiner Lagerung an der stabilen Gegenkontaktbasis 23 in dieser Richtung fest ist, gibt es seinen Impuls an den aufliegenden Gegenkontakt und so wiederum an den angelegten Schaltkontakt 15 am Schaltarm 14 weiter. Das Schaltverhalten wird anhand Fig. 2 beschrieben. Dort ist einerseits der Strom mit sinusförmigem Verlauf über dem Phasenwinkel dargestellt. Bei einer zugrundezulegenden Frequenz von 50 Hz entspricht eine Vollwelle bzw. deren Phasenwinkel von 360° einer Zeit von 20 msec.
Des Weiteren ist in Fig. 2 die Kontaktkraft dargestellt, mit der der Schaltkontakt 15 an dem Gegenkontakt 20 anliegt. Sie nimmt im dargestellten Beispiel ab, was vorteilhaft jedoch nicht zwingend linear erfolgen muss. Es ist zu erkennen, dass, wie gestrichelt dargestellt ist, die Kontaktkraft irgendwann zu Null oder kleiner Null wird und sich dann normalerweise der Schaltarm 14, der als eingangs genannte Schnappfeder ausgebildet ist, so bewegt, dass er den Schaltkontakt 15 vom Gegenkontakt 20 trennt. Da hier jedoch der Strom noch weiter fließt bzw. ein Stück von seinem nächsten Nulldurchgang entfernt ist, entsteht ein mehrere msec andauernder Lichtbogen bzw. würde entstehen.
Wie beschrieben worden ist, wird mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Stromerfassung der Phasenwinkel des Stroms permanent erfasst. Ähnliches gilt für die Messung der Kontaktkraft zwischen Schaltkontakt 15 und Gegenkontakt 20 mittels des Piezo-Elements 22. Diese Kontaktkraft ist im dargestellten Beispiel bei etwa 0,02 N angelangt, wenn der Phasenwinkel insgesamt etwa 420° beträgt, also lange vor dem nächsten Nulldurchgang. Wird dann der Zeitpunkt erfasst, in dem der Strom einen Phasenwinkel von etwa 13° vor einem nächsten Nulldurchgang aufweist, so ist hier die Kontaktkraft noch einmal etwas abgesunken auf unter 0,02 N. Eine nicht dargestellte Steuerung kann beide Bedingungen als erfüllt erkennen und veranlasst das Piezo-Element 22 als Aktor, einen kurzen Impuls abzugeben. Dieser Impuls ist, wie in Fig. 1 eingezeichnet ist, so gerichtet, dass er den Schaltkontakt 15 am Schaltarm 14 dazu veranlasst, die Kontakte zu trennen bzw. den Schalter 12 zu öffnen. Dies erfolgt dann mit einer gewissen Trägheit bzw. Verzögerung, vor allem bedingt durch die mechanische Trägheit, nach einer sehr kurzen Zeit bzw. eben genau so, dass dann im Nulldurchgang des Stroms die Kontakte getrennt werden. Es entsteht somit kein störender Lichtbogen.
Wie aus den gestrichelten Verläufen zu erkennen ist, würde ansonsten, wenn die Kontaktkraft ganz zu Null wird, zu einem Zeitpunkt geschaltet werden, wenn der Strom nahe seinem Maximum ist. Dann würde sich ein etwa 4 msec andauernder Lichtbogen ergeben, welcher die eingangs genannten schädlichen Folgen hätte.
Das Piezo-Element 22 als Aktor kann einen Impuls mit einer eingangs genannten Auslenkung von etwa 30 μητι erzeugen und einer Kraft von etwas weniger als 0,5 N. Seine Dauer beträgt beispielsweise 3 msec.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ausschalten eines Schalters bzw. zum Trennen eines Schaltkontaktes von einem Gegenkontakt, wobei der Schalter Wechselstrom schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Phasenwinkel zwischen 5° und 20° vor einem nächsten oder einem darauf folgenden Nulldurchgang des Stromes ein mechanischer Impuls auf den Schalter gegeben wird, insbesondere mit Impulsrichtung zum Trennen von Schaltkontakt und Gegenkontakt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel etwa 10° bis 18° beträgt, vorzugsweise etwa 13° beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ohne Messung der Kontaktkraft ein Impuls mit einem Phasenwinkel zwischen 5° und 20° vor einem nächsten Nulldurchgang des Stroms auf den Schalter gegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktkraft permanent gemessen wird und bei einem Unterschreiten einer Kontaktkraftschwelle zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt von etwa 0,01 N bis 0,03 N und dem Phasenwinkel zwischen 5° und 20° der Impuls ausgelöst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass immer nur bei jeder zweiten Halbwelle des Stromes mit einem Phasenwinkel zwischen 5° und 20° vor dem nächsten Nulldurchgang des Stromes der mechanische Impuls auf den Schalter gegeben wird, wobei vorzugsweise der mechanische Impuls dann auf den Schalter gegeben wird, wenn der Gegenkontakt bzw. der nicht bewegte Kontakt beim Trennen der Kontakte anodisch wäre gegenüber dem kathodischen anderen Kontakt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls eine Dauer von wenigen msec aufweist, vorzugsweise etwa 3 msec.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls eine Auslenkung von etwa 15 μητι bis 50 μητι aufweist, vorzugsweise etwa 30 μητι.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls auf einen den Schaltkontakt tragenden Schaltantrieb, vorzugsweise einen Schaltarm, bzw. auf den Schaltkontakt selbst einwirkt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls auf den Gegenkontakt selbst einwirkt, wobei vorzugsweise ein Aktor für den Impuls direkt an dem Gegenkontakt anliegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls mittels eines Aktors ausgelöst wird, der als magnetischer, thermischer oder Piezo-Aktor ausgebildet ist.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor gleichzeitig für eine Kontaktkraftmessung zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt ausgebildet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel des Stroms permanent erfasst wird zur genauen Auslösung.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Schalter aufweist mit einem Schaltkontakt und einem Gegenkontakt, die zueinander bewegbar sind, wobei der Schalter einen Aktor aufweist zur Erzeugung eines Impulses mit Impulsrichtung entlang der Trennrichtung von Schaltkontakt und Gegenkontakt, wobei der Aktor auf den Gegenkontakt oder den Schaltkontakt bzw. einen den Schaltkontakt tragenden Schaltantrieb einwirkt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als Piezo-Aktor ausgebildet ist, wobei er vorzugsweise gleichzeitig für eine Kontaktkraftmessung zwischen Schaltkontakt und Gegenkontakt ausgebildet ist, wobei insbesondere der Aktor mit dem Schaltkontakt oder dem Gegenkontakt eine Baueinheit bildet bzw. den Schaltkontakt oder den Gegenkontakt trägt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt relativ fest bzw. starr an dem Schalter angeordnet ist und der Schaltkontakt von einem Schaltantrieb bzw. Schaltarm getragen wird, wobei eine Auslösevorrichtung, vorzugsweise eine thermische Auslösevorrichtung, an dem Schaltantrieb anliegt.
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