EP2864995B1 - Switching device with electromagnetic latching mechanism - Google Patents
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- EP2864995B1 EP2864995B1 EP12750346.4A EP12750346A EP2864995B1 EP 2864995 B1 EP2864995 B1 EP 2864995B1 EP 12750346 A EP12750346 A EP 12750346A EP 2864995 B1 EP2864995 B1 EP 2864995B1
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich im Speziellen auf einen fernbetätigbaren Motorabgang mit Schalt- und Schutzfunktion, insbesondere auf eine integrierte Lösung, die sowohl das betriebsmäßige Schalten bei Normallast als auch das Abschalten im Überlast- oder Kurzschlussfall mittels eines Geräts ermöglicht.The invention relates to a switching device according to the preamble of claim 1. The invention relates in particular to a remotely operable motor output with switching and protective function, in particular to an integrated solution that both the operational switching at normal load and the switching off in overload or short circuit using a device.
Herkömmliche Schaltgeräte dieser Art sind üblicherweise mit zwei Antrieben ausgestattet, von denen einer für das betriebsmäßige Schalten und die Abschaltung im Überlastfall vorgesehen ist, während der andere Antrieb zur Schnellabschaltung im Kurzschlussfall dient. Zum betriebsmäßigen Schalten und Ausschalten bei Überlast ist insbesondere ein elektromagnetischer Reluktanzantrieb vorgesehen. Zur Schnellabschaltung im Kurzschlussfall dient dagegen ein mechanisches Schaltschloss, das mit einer oder mehreren Federn als Energiespeicher versehen ist. Nur mit einem solchen Schaltschloss sind derzeit die maximal zulässigen Ausschaltzeiten im Kurzschlussfall einzuhalten, die heute typischerweise auf 5 ms festgelegt sind.Conventional switching devices of this type are usually equipped with two drives, one of which is provided for the operational switching and the shutdown in case of overload, while the other drive is used for rapid shutdown in the event of a short circuit. For operational switching and off in case of overload in particular an electromagnetic reluctance drive is provided. For rapid shutdown in case of short circuit, however, serves a mechanical switch lock, which is provided with one or more springs as energy storage. The maximum permissible switch-off times in the event of a short circuit, which are typically set at 5 ms today, must be observed only with such a switch lock.
Nachteiligerweise führt das Vorhandensein zweier Antriebe bei einem herkömmlichen Kompaktabzweig zu einem vergleichsweise großen Bauraum des Schaltgerätes sowie großer Masse und hohen Herstellungskosten. Insbesondere wird zum Auslösen des Schaltschlosses ein zusätzlicher Magnetauslöser benötigt. Nachteilig ist des Weiteren, dass das mechanische Schaltschloss nach dem Auslösen manuell und unmittelbar am Gerät gespannt werden muss. Das Schaltgerät kann somit nach der Schnellabschaltung nicht per Fernwartung in den Betriebszustand zurückversetzt werden. Zwar ist es grundsätzlich möglich, für das Spannen eines solchen Schaltschlosses einen weiteren Antrieb (z.B. einen Schrittmotor mit Getriebe) vorzusehen. Dieser würde aber die Herstellungskosten, die Masse und den Bauraum eines solchen Schalters nachteiligerweise weiter vergrößern.Disadvantageously, the presence of two drives in a conventional compact feeder leads to a comparatively large space of the switching device and large mass and high production costs. In particular, an additional magnetic release is needed to trigger the switching mechanism. Another disadvantage is that the mechanical switch lock after triggering manually and directly on the device must be tightened. The switching device can thus not be reset to the operating state by remote maintenance after the rapid shutdown. Although it is in principle possible to provide for the tensioning of such a switching mechanism another drive (eg a stepper motor with gear). However, this would disadvantageously further increase the manufacturing costs, the mass and the installation space of such a switch.
Ein Leistungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist
Aus
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät anzugeben, das sowohl das betriebsmäßige Ein- und Ausschalten sowie auch das Abschalten bei Überlast und die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall ermöglicht, das dabei aber gleichzeitig besonders einfach und kompakt realisierbar ist. Wünschenswerte Eigenschaften des anzugebenden Schaltgeräts bestehen ferner darin, dass die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall durch ein elektrisches Signal vornehmbar sein soll, dass das Schaltgerät nach der Schnellabschaltung selbsttätig oder durch Ferneinwirkung in den Betriebszustand rückstellbar sein sollte, und dass das Schaltgerät "failsave" (also auch Fehlerfall sicher betreiben) sein sollte.The invention has for its object to provide a switching device that allows both the operational switching on and off, as well as the shutdown in case of overload and the emergency shutdown in the event of short circuit, but at the same time is particularly simple and compact feasible. Desirable characteristics of the specified switching device further consist in that the rapid shutdown should be vornehmbar in the event of a short circuit by an electrical signal that the switching device should be reset automatically or by remote action in the operating state after the rapid shutdown, and that the switching device "failsave" (ie also error operate safely) should be.
Die obige Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße Schaltgerät weist demnach ein Hauptkontaktsystem, eine elektromagnetische Antriebseinheit und ein Koppelglied auf. Das Hauptkontaktsystem dient zu reversiblen Schließen und Trennen eines Strompfades und umfasst hierzu mindestens einen Festkontakt und mindestens einen zugehörigen Bewegkontakt, wobei der Bewegkontakt zwischen zwei Schaltstellungen, nämlich einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung gegenüber dem Festkontakt bewegbar ist. Vorzugsweise weist das Hauptkontaktsystem in an sich üblicher Bauform zwei über eine Schaltbrücke miteinander fest verbundene Bewegkontakte auf, wobei jeder Bewegkontakt mit einem zugehörigen Festkontakt korrespondiert und wobei die Bewegkontakte gemeinsam und gleichzeitig mit den zugehörigen Festkontakten in Anlage gebracht und von diesen abgehoben werden können. Das Schaltgerät kann zudem im Rahmen der Erfindung auch mehrpolig ausgeführt sein. Das Hauptkontaktsystem kann entsprechend mehrere zum gleichzeitigen Schließen oder Trennen der Strompfade vorgesehene Festkontakte und Bewegkontakte aufweisen.The above object is achieved by the features of claim 1. The switching device according to the invention therefore has a main contact system, an electromagnetic drive unit and a coupling member. The main contact system is used for reversible closing and disconnecting a current path and for this purpose comprises at least one fixed contact and at least one associated moving contact, wherein the moving contact between two switching positions, namely a closed position and an open position relative to the fixed contact is movable. Preferably, the main contact system in per se conventional design two via a jumper together firmly connected moving contacts, each moving contact with an associated fixed contact corresponds and wherein the moving contacts can be brought together and simultaneously with the associated fixed contacts in plant and lifted from them. The switching device can also be within the scope of the invention also be designed multipolar. The main contact system may accordingly have a plurality of fixed contacts and moving contacts provided for simultaneously closing or disconnecting the current paths.
Bei der elektromagnetischen Antriebseinheit handelt es sich um ein bipolares Magnetsystem, dessen Magnetkreis sowohl einen oder mehrere Permanentmagnete als auch Magnetspulen umfasst. Konkret weist die Antriebseinheit einen beweglichen Anker sowie eine erste ortsfeste Magnetspule und eine zweite ortsfeste Magnetspule auf. Durch Bestromung der Magnetspulen kann der Anker hierbei reversibel zwischen zwei Ankerlagen bewegt werden, wobei der Anker in jeder der beiden Ankerlagen durch den oder die Permanentmagnete des bipolaren Magnetsystems stabilisiert ist. Mithin handelt es sich bei der Antriebseinheit um ein an sich bistabiles Magnetsystem.The electromagnetic drive unit is a bipolar magnet system whose magnetic circuit comprises both one or more permanent magnets and magnet coils. Concretely, the drive unit has a movable armature and a first fixed magnetic coil and a second stationary magnetic coil. By energizing the magnetic coils, the armature can be reversibly moved between two anchor layers, wherein the armature is stabilized in each of the two anchor positions by the one or more permanent magnets of the bipolar magnet system. Thus, the drive unit is a bistable magnet system.
Das Koppelglied dient schließlich zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit auf den Bewegkontakt. Das Koppelglied ist hierzu zwischen einer Betriebsstellung und einer Auslösestellung bewegbar, wobei die Betriebsstellung des Koppelglieds mit der Schließstellung des Bewegkontakts, und die Auslösestellung des Koppelglieds mit der Öffnungsstellung des Bewegkontakts korrespondiert. Mit anderen Worten befindet sich das Koppelglied bei geschlossenem (an den Festkontakt anliegenden) Bewegkontakt regelmäßig in seiner Betriebsstellung und bei offenem (von dem Festkontakt abgehobenen) Bewegkontakt in der Auslösestellung. Das Koppelglied ist in zweckmäßiger Ausführung der Erfindung insbesondere fest mit dem Anker des Antriebssystems verbunden und zusammen mit diesem zwischen der Betriebsstellung und der Auslösestellung linear verschiebbar. In diesem Fall ist das Koppelglied insbesondere als Stößel ausgebildet.Finally, the coupling member serves to transmit a control force from the drive unit to the moving contact. The coupling member is for this purpose movable between an operating position and a release position, wherein the operating position of the coupling member corresponds to the closed position of the moving contact, and the release position of the coupling member with the open position of the moving contact. In other words, the coupling member is in the closed (applied to the fixed contact) moving contact regularly in its operating position and open (lifted from the fixed contact) moving contact in the release position. The coupling member is connected in an expedient embodiment of the invention, in particular fixed to the armature of the drive system and linearly displaceable together with this between the operating position and the release position. In this case, the coupling member is designed in particular as a plunger.
Erfindungsgemäß stehen das Hauptkontaktsystem, die Antriebseinheit und das Koppelglied derart in Wirkbeziehung, dass der Bewegkontakt bei entregten (also zumindest im Wesentlichen unbestromten) Magnetspulen - trotz der an sich bistabilen Ausführung der Antriebseinheit - monostabil in der Öffnungsstellung gehalten ist. Somit kehrt der Bewegkontakt auch ggf. aus jeder anderen Kontaktstellung wieder in die Öffnungsstellung zurück, wenn und solange die Magnetspulen entregt sind.According to the invention, the main contact system, the drive unit and the coupling element are in operative relationship such that the moving contact is de-energized (ie at least substantially de-energized) magnetic coils - in spite of the bistable ones Design of the drive unit - monostable held in the open position. Thus, the moving contact also returns from any other contact position back to the open position, if and as long as the solenoid coils are de-energized.
Erfindungsgemäß ist das Schaltgerät weiterhin derart gestaltet, dass durch selektive Erregung der ersten Magnetspule der Bewegkontakt in die Schließstellung bewegbar ist. Der Strompfad wird mit anderen Worten bestimmungsgemäß dadurch geschlossen, dass die erste Magnetspule erregt (also bestromt) wird, während die zweite Magnetspule entregt wird oder in entregtem Zustand belassen wird. Diese Schaltfunktion entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise eines Schützes. Die zum Schließen des Hauptkontaktsystems verwendete erste Magnetspule ist deshalb nachfolgend auch als "Schützspule" bezeichnet.According to the switching device is further designed such that by selective excitation of the first magnetic coil, the moving contact is movable into the closed position. In other words, the current path is closed as intended by the fact that the first magnetic coil is energized (ie, energized), while the second magnetic coil is de-energized or left in a de-energized state. This switching function corresponds essentially to the functioning of a contactor. The first magnetic coil used to close the main contact system is therefore also referred to below as a "contactor coil".
Die zweite Magnetspule dient dagegen zur Schnellabschaltung des Schaltgeräts bei einem Kurzschluss im Strompfad. Entsprechend ist das Schaltgerät derart ausgebildet, dass durch selektive Erregung (also Bestromung) der zweiten Magnetspule der Bewegtkontakt innerhalb einer für einen Kurzschluss in dem Strompfad zulässigen Maximalausschaltzeit in die Öffnungsstellung bewegbar ist, so dass der Stromfluss im Strompfad unterbrochen ist. Die genannte Maximalabschaltzeit beträgt hierbei insbesondere 5 ms. Die zur Schnellabschaltung verwendete zweite Magnetspule ist nachfolgend auch als "Kurzschlussauslöserspule" bezeichnet.By contrast, the second magnetic coil serves to rapidly shut down the switching device in the event of a short circuit in the current path. Accordingly, the switching device is designed such that by selective energization (ie energization) of the second solenoid, the moving contact within a permissible for a short circuit in the current path Maximalausschaltzeit in the open position is movable, so that the current flow is interrupted in the current path. The said maximum switch-off time is in particular 5 ms. The second solenoid coil used for the quick shutdown is also referred to below as the "short-circuit release coil".
Zur Unterstützung der vorstehend beschriebenen Wirkbeziehung zwischen dem Hauptkontaktsystem, der Antriebseinheit und dem Koppelglied umfasst das Schaltgerät in bevorzugter Ausführung zusätzlich mindestens eine Kontaktfeder, die den Bewegkontakt in Richtung auf eine seiner beiden Schaltstellungen vorspannt. In alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bewegkontakt hierbei durch die Kontaktfeder entweder nach Art eines Leistungsschalters durch die Kontaktfedern in Richtung auf seine Schließstellung vorgespannt oder nach Art eines Schützes in Richtung auf die Öffnungsstellung vorgespannt sein.To support the above-described operative relationship between the main contact system, the drive unit and the coupling member, the switching device in a preferred embodiment additionally comprises at least one contact spring which biases the moving contact in the direction of one of its two switching positions. In alternative embodiments of the invention, the moving contact can be biased by the contact spring either in the manner of a circuit breaker by the contact springs in the direction of its closed position or in the manner of a Contactor be biased towards the open position.
Zusätzlich oder alternativ zu der Kontaktfeder weist das Schaltgerät vorzugsweise mindestens eine Rückdruckfeder auf, die das Koppelglied in Richtung auf die Auslösestellung vorspannt.In addition or as an alternative to the contact spring, the switching device preferably has at least one return spring, which biases the coupling member in the direction of the release position.
Bei Ausführungsformen des Schaltgeräts, die die Kontaktfeder(n) und die Rückdruckfeder(n) enthalten, wird die monostabile Lagerung des Bewegkontakts insbesondere durch das Zusammenspiel der von Kontaktfeder(n), Rückdruckfeder(n) und der Antriebseinheit auf den Bewegkontakt ausgeübten Kräfte erreicht.In embodiments of the switching device containing the contact spring (s) and the return spring (s), the monostable bearing of the moving contact is achieved in particular by the interaction of the contact spring (s), return spring (s) and the drive unit to the moving contact forces exerted.
Das erfindungsgemäße Schaltgerät hat insbesondere den Vorteil, dass sowohl das betriebsmäßige Schalten als auch die Überlastabschaltung und die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall mittels eines einzigen elektromagnetischen Antriebs erfolgt, was eine kompakte, leichte und rationelle Herstellung des Schaltgeräts ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des Schaltgerätes besteht darin, dass es im Fehlerfall von selbst in den abgeschalteten Zustand übergeht, aus dem es ohne weitere Maßnahmen elektrisch wieder eingeschaltet werden kann. Insbesondere sind keine manuellen Rücksetzvorgänge nach einer Schnellschaltung im Kurzschlussfall erforderlich. Auch die hohe Schaltgeschwindigkeit, die für die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall erforderlich ist, wird maßgeblich dadurch unterstützt, dass das Schaltgerät infolge der Monostabilität der Öffnungsstellung diese im abgeschalteten Zustand selbsttätig anstrebt.The switching device according to the invention has the particular advantage that both the operational switching and the overload shutdown and the quick shutdown occurs in the event of a short circuit by means of a single electromagnetic drive, which allows a compact, lightweight and efficient production of the switching device. Another advantage of the switching device is that it goes in case of failure by itself in the off state, from which it can be switched on again electrically without further action. In particular, no manual reset operations are required after a quick circuit in the event of a short circuit. The high switching speed, which is required for the rapid shutdown in the event of a short circuit, is largely supported by the fact that the switching device automatically strives for this in the off state due to the monostability of the open position.
Die hohe Abschaltgeschwindigkeit wird überdies durch die gegebenenfalls vorhandene Rückdruckfeder(n) sowie optional durch die gegebenenfalls vorhandenen Kontaktfeder(n) unterstützt.The high shutdown speed is also supported by the optionally existing return spring (s) and optionally by the optional contact spring (s).
Bei dem Schaltgerät handelt es sich vorzugsweise um ein elektronisches Schaltgerät, d.h. um ein Schaltgerät mit einer elektronischen Ansteuerung und einer elektronischen Stromüberwachung, insbesondere einer elektronischen Auslösedetektion bei Überlast und Kurzschluss. Entsprechend umfasst das Schaltgerät einen elektronischen Steuerschaltkreis zur Ansteuerung der ersten Magnetspule und/oder der zweiten Magnetspule.The switching device is preferably an electronic switching device, i. to a switching device with an electronic control and electronic power monitoring, in particular an electronic trigger detection in case of overload and short circuit. Accordingly, the switching device comprises an electronic control circuit for controlling the first magnetic coil and / or the second magnetic coil.
Um die Haltekraft der Antriebseinheit bei geschlossenem Schaltgerät möglichst auf ein erforderliches Minimalmaß zu beschränken und somit auch die Leistungsaufnahme des Schaltgeräts gering zu halten, ist der Steuerschaltkreis vorzugsweise dazu eingerichtet, nach dem Schließen des Schaltgeräts die erste Magnetspule durch einen getakteten Haltestrom teilzuerregen (also auf vergleichsweise geringem Niveau zu erregen), so dass der Bewegkontakt - insbesondere gerade noch sicher - in der Schließstellung gehalten ist. Die getaktete Teilerregung nimmt der Steuerschaltkreis hierbei insbesondere durch eine Pulsweitenmodulation der an die Schützspule angelegten Betriebsspannung vor.In order to limit the holding force of the drive unit with closed switching device as possible to a required minimum size and thus to keep the power consumption of the switching device low, the control circuit is preferably adapted to teilzuerregen after closing the switching device, the first solenoid coil by a clocked holding current (ie to comparatively low level to excite), so that the moving contact - especially just safe - is held in the closed position. The clocked partial excitation takes the control circuit in this case in particular by a pulse width modulation of the voltage applied to the contactor coil operating voltage.
Der Steuerschaltkreis ist des Weiteren vorzugsweise dazu eingerichtet, durch schaltungstechnische Maßnahmen die Abschaltzeit im Kurzschlussfall weiter zu reduzieren. Hierzu umfasst der Steuerschaltkreis in einer bevorzugten Ausführungsform eine Entregungsschaltung, die im Falle eines Kurzschlusses in dem Strompfad eine beschleunigte Entregung - der in diesem Fall abzuschaltenden - Schützspule sicherstellt. Die Erregungsschaltung umfasst in einer einfachen und effektiven Ausführungsform insbesondere als wesentlichem Bestandteil eine Zenerdiode und eine in Serie hierzu geschaltete Freilaufdiode, über die die Schützspule nach dem Abschalten überbrückt ist.Furthermore, the control circuit is preferably configured to further reduce the turn-off time in the event of a short circuit by means of circuitry measures. For this purpose, the control circuit comprises in a preferred embodiment, a de-energizing circuit which ensures in case of a short circuit in the current path an accelerated de-energizing - to be switched off in this case - contactor coil. The excitation circuit comprises in a simple and effective embodiment, in particular as a substantial part of a Zener diode and a freewheeling diode connected in series thereto, over which the contactor coil is bridged after switching off.
Ebenfalls zur weiteren Beschleunigung der Schnellabschaltung im Kurzschlussfall umfasst der Steuerschaltkreis vorzugsweise einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, über den die Kurzschlussauslöserspule im Falle eines Kurzschlusses in dem Strompfad schnell und effektiv erregt werden kann. Der Energiespeicher wird seinerseits im Normalbetrieb des Schaltgeräts geladen, so dass seine Leistung im Kurzschlussfall sofort und in voller Höhe zur Verfügung steht.Likewise for further acceleration of the quick shutdown in the event of a short circuit, the control circuit preferably comprises an electrical energy store, in particular a capacitor, via which the short-circuit release coil can be excited quickly and effectively in the event of a short circuit in the current path. The energy storage device is in turn charged in normal operation of the switching device, so that its performance in case of short circuit is available immediately and in full.
Im Sinne eines effektiven Betriebs des Schaltgeräts wird die Kurzschlussauslöserspule ausschließlich für die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall herangezogen, nicht aber für das betriebsmäßige Abschalten des Strompfades oder die Überlastabschaltung. In den letztgenannten Fällen wird vorzugsweise lediglich die Schützspule durch den Steuerschaltkreis entregt (abgeschaltet), während die Kurzschlussauslösespule in entregtem Zustand belassen wird. Der Bewegkontakt kehrt in diesem Fall selbsttätig, ggf. gestützt durch die Rückdruckfeder(n) und/oder die Kontaktfeder(n) in die monostabile Öffnungsstellung zurück.In terms of effective operation of the switching device, the short-circuit release coil is used exclusively for the rapid shutdown in the event of a short circuit, but not for the operational shutdown of the current path or the overload shutdown. In the latter cases, preferably only the contactor coil is deenergized (turned off) by the control circuit while leaving the short-circuit release coil deenergized. The moving contact in this case returns automatically, possibly supported by the return spring (s) and / or the contact spring (s) in the monostable open position.
Als weitere Maßnahme zur Beschleunigung der Schnellabschaltung im Kurzschlussfall liegt das Koppelglied in seiner Betriebsstellung vorzugsweise in einem von dem Bewegkontakt entkoppelten Zustand vor. Insbesondere ist das Koppelglied in seiner Betriebsstellung mit gewissem Abstand zu dem Bewegkontakt und den damit verbundenen Teilen angeordnet. Durch diese Entkopplung des Koppelgliedes von dem Bewegkontakt wird erreicht, dass das Koppelglied bei einem Kurzschluss in dem Strompfad - und entsprechender Erregung der Kurzschlussauslöserspule - zunächst ohne physikalischen Kontakt zu dem Bewegkontakt beschleunigt wird, so dass das Koppelglied bereits mit einem von Null verschiedenen Impuls mittelbar oder unmittelbar auf den Bewegkontakt stößt. Der Bewegkontakt wird hierdurch durch das Koppelglied besonders schnell beschleunigt, was den Zusammenbruch des Stromflusses im Strompfad begünstigt.As a further measure for accelerating the quick shutdown in the event of a short circuit, the coupling element in its operating position is preferably in a state decoupled from the moving contact. In particular, the coupling member is arranged in its operating position with a certain distance to the moving contact and the associated parts. By this decoupling of the coupling member of the moving contact is achieved that the coupling member is accelerated at a short circuit in the current path - and corresponding excitation of the Kurzschlussauslöserspule - initially without physical contact to the moving contact, so that the coupling element already indirectly with a non-zero pulse immediately encounters the moving contact. The moving contact is thereby accelerated particularly fast by the coupling member, which favors the collapse of the current flow in the current path.
Als Sicherheitsmaßnahme ist des Weiteren mindestens eine der beiden Magnetspulen zweckmäßigerweise auch in entregtem Zustand nicht gänzlich unbestromt. Vielmehr werden die Schützspule und/oder die Kurzschlussauslöserspule auch in entregtem Zustand mit einem geringen Ruhestrom beaufschlagt. Die Überwachung des Ruhestroms, der so gering gewählt wird, dass er die Kraftverhältnisse in der Antriebskinematik nicht wesentlich beeinflusst, ermöglicht einen Rückschluss auf die Funktionsfähigkeit der Magnetspulen. Insbesondere wird ein etwaiger Leitungsbruch in einer der Magnetspulen anhand des in diesem Fall ebenfalls zusammenbrechenden Ruhestroms durch den Steuerschaltkreis frühzeitig erkannt.As a safety measure, furthermore, at least one of the two magnetic coils is expediently also in a de-energized state not completely energized. Rather, the contactor coil and / or the short-circuit release coil are also applied in a de-energized state with a low quiescent current. The monitoring of the quiescent current, which is chosen so low that it does not significantly affect the force relationships in the drive kinematics, allows a conclusion on the functionality of the solenoid coils. In particular, a possible line break in one of the magnetic coils is detected early on the basis of the quiescent current, which likewise collapses in this case, by the control circuit.
Die Permanentmagneten des bipolaren magnetischen Antriebssystems sind vorzugsweise ortsfest an einem Joch des Magnetsystems angeordnet. Sie könnten im Rahmen der Erfindung grundsätzlich aber auch auf dem beweglichen Anker angebracht sein.The permanent magnets of the bipolar magnetic drive system are preferably arranged stationarily on a yoke of the magnet system. In principle, however, they could also be mounted on the movable armature within the scope of the invention.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schaltgerät insbesondere gekennzeichnet durch eine bipolare, bistabile elektromagnetische Antriebseinheit mit zwei ortsfesten Magnetspulen (nämlich eine Schützspule und eine Kurzschlussauslöserspule), ortsfesten Permanentmagneten und einem bewegten Anker. Des Weiteren umfasst das Schaltgerät eine elektronische Baugruppe zur Ansteuerung des bipolaren Magnetsystems. Der Schalter umfasst des Weiteren ein Hauptkontaktsystem, das entweder ohne Zusammenwirken mit dem Antrieb wie in einem typischen Leistungsschalter durch Kontaktfedern geschlossen gehalten wird, oder das ohne Zusammenwirken mit dem Antrieb wie bei einem Schütz geöffnet ist und durch den Antrieb geschlossen wird. Das Kontaktsystem, das Magnetsystem und in der Regel mindestens eine weitere Feder wirken hierbei derart zusammen,
- dass in entregtem Zustand der Magnetspulen das Kräftegleichgewicht aus Permanentmagneten, Kontaktfeder(n) und Rückdruckfeder(n) das Hauptkontaktsystem offenhält und für jeden Zustand, den die Komponenten des Schaltgeräts im Rahmen der Konstruktion einnehmen können, das Öffnen statisch sicher erzwingt,
- dass das betriebsmäßige Schließen des Hauptkontaktsystems durch Erregung der Schützspule erfolgt,
- dass das betriebsmäßige Geschlossenhalten des Hauptkontaktsystems durch getaktete Erregung der Schützspule erfolgt,
- dass ein betriebsmäßiges Öffnen des Hauptkontaktsystems durch Entregung (d.h. Abschalten der Spannung an) der Schützspule erfolgt,
- dass die Schnellabschaltung im Kurzschlussfall durch Abschalten der Spannung an der Schützspule und Erregung der Kurzschlussauslösespule realisiert wird,
- dass die Kurzschlussauslöserspule in diesem Fall aus einer separaten Energiequelle, beispielsweise einem Kondensator erregt wird, und
- dass im Kurzschlussfall die Schützspule mittels einer elektronischen Entregungsschaltung schnell entregt wird.
- that in the de-energized state of the magnetic coils, the force balance of the permanent magnet, contact spring (s) and return spring (s) keeps open the main contact system and statically reliably forces the opening for each state which the components of the switching device can assume within the framework of the construction;
- that the operational closing of the main contact system takes place by energizing the contactor coil,
- that the operational keeping closed of the main contact system by clocked excitation of the contactor coil,
- that a normal opening of the main contact system by deenergizing (ie switching off the voltage on) of the contactor coil,
- in the event of a short circuit the quick shutdown is realized by switching off the voltage at the contactor coil and energizing the short circuit tripping coil,
- that the short-circuit release coil is energized in this case from a separate power source, such as a capacitor, and
- that in case of short circuit, the contactor coil is quickly de-energized by means of an electronic de-energizing circuit.
In weiteren Ausgestaltungsvarianten der Erfindung können
- der Anker und ein diesen und die Magnetspulen umgebendes Joch in geblechter oder ungeblechter Ausführung hergestellt werden,
- planare oder konzentrische Querschnitte für den Anker und den Gesamtausbau gewählt werden,
- die Permanentmagnete konzentrisch oder nur segmentweise im Koppelzweig oder an den Koppelzweigen des Magnetkreises angeordnet werden, und/oder
- das Koppelglied durch eine integrierte Übersetzungs- und Umlenkmechanik ergänzt werden.
- the armature and a yoke surrounding it and the magnet coils are produced in a non-braided or non-braided design,
- planar or concentric cross-sections are chosen for the anchor and the overall configuration,
- the permanent magnets are arranged concentrically or only in segments in the coupling branch or on the coupling branches of the magnetic circuit, and / or
- the coupling link is supplemented by an integrated translation and deflection mechanism.
Des Weiteren ist neben der normalen Bestromung der Magnetspulen auch für die Schützspule und den Schützbetrieb eine Bestromung aus einer Kondensatorladung möglich. Ferner kann das Koppelglied anstelle des linear verschiebbaren Stößels auch als rotatorisches System aufgebaut sein, um weitere Vorteile hinsichtlich Reibung und Dynamik zu erlangen. Schließlich kann die gegebenenfalls vorhandene Kontaktfeder auch über ein mitlaufendes Gegenlager zur Senkung des gesamten Kraftniveaus des Antriebs an das Koppelglied angebunden sein.Furthermore, in addition to the normal energization of the solenoid coils for the contactor coil and the contactor operation, a current from a capacitor charge is possible. Furthermore, instead of the linearly displaceable plunger, the coupling member can also be constructed as a rotary system in order to obtain further advantages in terms of friction and dynamics. Finally, the optionally existing contact spring can also be connected to the coupling member via a running counter-bearing to reduce the total force level of the drive.
Mit dem erfindungsgemäßen Schaltgerät und dessen Ausgestaltungsvarianten werden insbesondere die Vorteile erreicht,
- dass nach einer Kurzschluss- oder Überlastauslösung eine Wiederinbetriebnahme aus der Ferne möglich ist,
- dass mit der bipolaren Antriebseinheit sehr kleine Abschaltzeiten im Kurzschlussfall zu erzielen sind,
- dass die Antriebseinheit so ausgelegt werden kann, dass die Halteleistung im eingeschalteten Zustand des Schaltgeräts sehr klein ist,
- dass das Schaltgerät sehr kompakt realisiert werden kann, und
- das die elektronische Kurzschlussauslöserfunktion ohne zusätzlichen Antrieb oder Aktor (zum Beispiel Magnetaktor oder Piezoaktor) erreicht wird.
- that after a short-circuit or overload trip a reminder is possible from a distance,
- that with the bipolar drive unit very short turn-off times can be achieved in the event of a short circuit,
- that the drive unit can be designed so that the holding power in the switched-on state of the switching device is very small,
- that the switching device can be realized very compact, and
- that the electronic short-circuit release function without additional drive or actuator (for example, magnetic actuator or piezoelectric actuator) is achieved.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispielse anhand der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- FIG 1
- in einem grob schematischen Längsschnitt ein Schaltgerät mit einem Hauptkontaktsystem, einer bipolaren elektromagnetischen Antriebseinheit mit einem ortsfesten Joch, zwei darin ortsfest gehaltenen Magnetspulen und einem verschiebbaren Anker sowie mit einem Koppelglied in Form eines Stößels zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit auf das Hauptkontaktsystem bei geschlossenem Hauptkontaktsystem,
- FIG 2
- in Darstellung gemäß
FIG 1 das dortige Schaltgerät bei geöffnetem Hauptkontaktsystem, - FIG 3
- in einem schematisch vereinfachten elektrischen Schaltbild einen Steuerschaltkreis zur Ansteuerung der beiden Magnetspulen des Schaltgeräts gemäß
FIG 1 , - FIG 4
- in Darstellung gemäß
FIG 1 eine alternative Ausführungsform des Schaltgeräts bei geschlossenem Hauptkontaktsystem, - FIG 5
- in Darstellung gemäß
FIG 1 das Schaltgerät gemäßFIG 4 bei geöffnetem Hauptkontaktsystem, und - FIG 6
- in einem schematischen Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Hauptkontaktsystems.
- FIG. 1
- in a roughly schematic longitudinal section, a switching device with a main contact system, a bipolar electromagnetic drive unit with a stationary yoke, two stationary held therein magnetic coils and a movable armature and with a coupling member in the form of a plunger for transmitting a force from the drive unit to the main contact system with the main contact system .
- FIG. 2
- in illustration according to
FIG. 1 the local switching device with the main contact system open, - FIG. 3
- in a schematically simplified electrical circuit diagram according to a control circuit for controlling the two magnetic coils of the switching device
FIG. 1 . - FIG. 4
- in illustration according to
FIG. 1 an alternative embodiment of the switching device with the main contact system closed, - FIG. 5
- in illustration according to
FIG. 1 the switching device according toFIG. 4 with main contact system open, and - FIG. 6
- in a schematic longitudinal section, a further embodiment of the main contact system.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference numerals in all figures.
Die
Das Schaltgerät 1 umfasst ein Hauptkontaktsystem 2, eine Antriebseinheit 3 sowie ein Koppelglied 4.The switching device 1 comprises a
Das Hauptkontaktsystem 2 dient zum reversiblen Schließen und Trennen eines Strompfades 10. Hierzu umfasst es zwei Festkontakte 11 und 12 sowie zwei Bewegkontakte 13 und 14. Der Festkontakt 11 ist hierbei an dem Ende einer stromzuführenden Stromschiene 15 angebracht, während der Festkontakt 12 an dem Ende einer stromabführenden Stromschiene 16 angebracht ist. Die beiden Bewegkontakte 13 und 14 sind in Gegenüberstellung zueinander an den Enden einer Schaltbrücke 17 angebracht. Die Schaltbrücke 17 ist zusammen mit den darin angebrachten Bewegkontakten 13 und 14 zwischen einer in
Die Schaltbrücke 17 wird mittels einer Kontaktfeder 18 in Richtung auf die Stromschienen 15 und 16 beaufschlagt, so dass die Bewegkontakte 13 und 14 jeweils in Richtung auf ihre Schließstellung vorgespannt sind.The switching
Die Antriebseinheit 3 ist durch ein bipolares Magnetsystem gebildet. Sie umfasst ein umlaufendes Joch 20, in dem zwei Magnetspulen aufgenommen sind. Die von dem Hauptkontaktsystem 2 abgewandte Magnetspule ist hierbei nachfolgend als (Schütz-)Spule 21 bezeichnet. Die dem Hauptkontaktsystem 2 zugewandte Magnetspule ist dagegen als (Kurzschlussauslöser-)Spule 22 bezeichnet. Zwischen den beiden fluchtend hintereinander angeordneten Spulen 21 und 22 sind mehrere Permanentmagnete 23 angeordnet. An den jeweils voneinander abgewandten Stirnseiten der Spulen 21 und 22 hat das Joch 20 jeweils einen als Polschuh 24 wirkenden Vorsprung, mit dem das Joch 20 geringfügig in das Innere der jeweils angrenzenden Spule 21 bzw. 22 hineinragt. Im Inneren der Spulen 21 und 22, und damit in dem axial von den Polschuhen 24 begrenzten Raum ist ein zylindrischer Anker 25 aus Weicheisen aufgenommen. Der Anker 25 hat eine den Raum zwischen den Polschuhen 24 wesentlich unterschreitende Länge und ist somit parallel zur Achse der Spulen 21 und 22 zwischen zwei Ankerstellungen reversibel verschiebbar. In einer in
Bei der Antriebseinheit 3 handelt es sich um ein an sich bistabiles Magnetsystem, in dem der Anker 25 infolge des von den Permanentmagneten 23 erzeugten Magnetflusses in seinen beiden Ankerlagen gemäß
In Hinblick auf das der Antriebseinheit 3 zugrunde liegende magnetische Funktionsprinzip wird auf
Das Koppelglied 4 dient zur Übertragung einer Stellkraft von der Antriebseinheit 3 auf die Schaltbrücke 17, und somit zur Bewegung der Bewegkontakte 13 und 14 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung.The
Das Koppelglied 4 besteht hier aus einem Stößel 28, der fest mit dem Anker 25 verbunden ist und somit mit diesem verschoben wird. In einer im Folgenden als "Betriebsstellung" bezeichneten Stellung des Stößels 28, die in
Gemäß
Die in
Die Kontaktfeder 18 und die Rückdruckfeder 26 sind unter zusätzlicher Berücksichtigung der durch die Permanentmagneten 23 erzeugten Kräfte derart dimensioniert und angeordnet, dass der Stößel 28 zusammen mit dem Anker 25 bei entregten Spulen 21 und 22 stets die in
Zum Schließen des Schaltgeräts 1, mithin zur Bewegung der Bewegkontakte 13 und 14 in ihre Schließstellung wird die Schützspule 21 mit einer Betriebsspannung beaufschlagt und somit angeregt. Hierdurch wird der Anker 25 unter Überwindung der durch die Rückdruckfeder 26 und die Permanentmagneten 23 ausgeübten Kräfte in die Ankerstellung gemäß
Um das Schaltgerät 1 in effektiver Weise in seinem geschlossenen Zustand zu halten, und insbesondere um die Haltekraft der Antriebeinheit 3 auf ein erforderliches Mindestmaß zu beschränken, wird die Schützspule 21 nur zum Anziehen des Ankers 25 für eine vorgegebene Zeitspanne (Anzugzeit) ständig erregt. Vielmehr wird die Schützspule 21 in einer Haltephase nach Ablauf der Anzugzeit nur noch teilerregt, indem die Schützspule 21 mit einer pulsweitenmodulierten, und somit zeitlich getakteten Spannung beaufschlagt wird. Das Pulsweitenverhältnis dieser getakteten Haltespannung ist derart gewählt, dass der Anker 25 gerade noch sicher in der in
Zum betriebsmäßigen Abschalten des Schaltgeräts 1 sowie zur Zwangsabschaltung bei Überlast (also einem durch das Schaltgerät 1 fließenden Überstrom) wird die Schützspule 21 durch Abschalten der Haltespannung entregt. Der Anker 25 und der Stößel 28 werden hierbei unter Wirkung der Rückdruckfeder 26 in die Auslösestellung gemäß
Im Falle eines Kurzschlusses in dem durch das Schaltgerät 1 geschlossenen Strompfad 10 werden gleichzeitig die Schützspule 21 entregt und die Kurzschlussauslöserspule 22 erregt. Unter Zusammenwirkung der durch die Kurzschlusssauslöserspule 22 und die Rückdruckfeder 26 auf den Anker 25 wirkenden Kräfte wird dabei der Stößel 28 zur Schnellabschaltung des Schaltgeräts 1 besonders schnell in seine Auslösestellung bewegt.In the event of a short circuit in the current path 10 closed by the switching device 1, the
Das Schaltgerät 1 ist hierbei derart ausgelegt, dass es im Kurzschlussfall innerhalb von 5 ms abgeschaltet werden kann.The switching device 1 is in this case designed such that it can be switched off within 5 ms in the event of a short circuit.
Der Schaltungsteil 31 ist im Wesentlichen gebildet durch eine Spannungsquelle 34 und einen Halbleiterschalter 35, die in Serie mit der Schützspule 21 geschaltet sind. Ein in
Der Schaltungsteil 32 umfasst ebenfalls eine Spannungsquelle 40 und einen Halbleiterschalter 41, die zusammen mit einem Ladewiderstand 42 in Serie mit der Kurzschlussauslöserspule 22 geschaltet sind. Ein in
Die Halbleiterschalter 35 und 41 werden durch die Steuereinheit 33 angesteuert, die insbesondere durch einen Mikrocontroller mit einer darin implementierten Steuersoftware gebildet ist.The semiconductor switches 35 and 41 are driven by the
Zur Erregung bzw. Entregung der Schützspule 21 wird der Halbleiterschalter 35 durch die Steuereinheit 30 aufgesteuert (geschlossen bzw. elektrisch leitend geschaltet) bzw. zugesteuert (geöffnet bzw. gesperrt). In der Haltephase wird der Halbleiterschalter 35 hierbei durch die Steuereinheit 33 mit dem voreingestellten Pulsweitenverhältnis getaktet auf- und zugesteuert.To energize or de-excite the
Beim Abschalten der Schützspule 21 bewirkt die Entregungsschaltung 37 eine beschleunigte Entregung der Schützspule 21, das heißt einen beschleunigten Zusammenbruch des durch die Spule 21 fließenden Stroms, indem die Spule 21 nach dem Öffnen des Halbleiterschalters 35 über die Zenerdiode 39, die Freilaufdiode 38 zur Ableitung des Spulenstroms überbrückt wird.When switching off the
Im Normalbetrieb des Schaltgeräts 1 wird im Schaltungsteil 32 der Kondensator 44 bei geöffnetem Halbleiterschalter 41 über den Ladewiderstand 42 geladen. Im Kurzschlussfall wird der Halbleiterschalter 41 durch die Steuereinheit 33 geschlossen, so dass der Kondensator 44 über die Kurzschlussauslöserspule 22 entladen wird. Durch die in dem Kodensator 44 vorgehaltene elektrische Energie wird die Spule 22 hier wesentlich schneller erregt, als dies durch unmittelbare Aufschaltung der Spannungsquelle 40 möglich wäre.In normal operation of the switching device 1, the
Zur besonders schnellen Trennung der Bewegkontakte 13 und 14 von den zugeführten Festkontakten 11 und 12 - insbesondere im Kurzschlussfall - trägt des Weiteren auch bei, dass der Stößel 28 in seiner Betriebsstellung gemäß
Als Sicherheitsmaßnahme werden beide Spulen im entregten Zustand durch den Steuerschaltkreis 30 mit einer geringen Spannung beaufschlagt, unter deren Wirkung durch die Spulen stets ein geringer Ruhestrom fließt. Die Steuereinheit 33 überwacht diese Ruheströme fortlaufend und veranlasst bei einem Zusammenbruch des Ruhestroms - beispielsweise infolge eines Leistungsbruchs in einer der Spulen 21 und 22 - die Abschaltung des Schaltgeräts.As a safety measure both coils are energized in the de-energized state by the control circuit 30 with a low voltage, under the effect of which a low quiescent current always flows through the coils. The
Eine zweite Ausführungsform des Schaltgeräts 1 ist in den
In der Ausführung des Schaltgeräts 1 gemäß
In
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.The object of the invention is not limited to the embodiments described above. Rather, other embodiments of the invention may be derived by those skilled in the art from the foregoing description. In particular, the individual features of the invention described with reference to the various exemplary embodiments and their design variants can also be combined with one another in a different manner.
Claims (9)
- Switching device (1)- with a main contact system (2), which has at least one fixed contact (11,12) and at least one associated movable contact (13,14), wherein the movable contact (13,14) can be moved in a reversible manner in respect of the fixed contact (11,12) to close and isolate a current path (10) between two switch positions, namely a closed position and an open position,- with a bipolar electromagnetic drive unit (3), which has a movable armature (25) as well as a first stationary magnet coil (21) and a second stationary magnet coil (22) for reversibly moving the armature (25) between two permanently magnetic stabilised armature positions, and- with a coupling member (4) for transmitting an actuating force from the drive unit (3) to the movable contact (13,14), wherein the coupling member (4) can be moved between an operating position corresponding with the closed position of the movable contact (13,14) and a trip position corresponding with the open position of the movable contact (13,14),- wherein the movable contact (13,14) can be moved into the closed position through selective excitation of the first magnet coil (5), and the movable contact (13,14) can be moved into the open position through selective excitation of the first magnet coil (22) within a minimum switch-off time permissible for a short circuit in the current path (10),characterised in that- with de-excited magnet coils (21,22) the movable contact (13,14) is held in the open position in a monostable manner, and- the switching device (1) comprises at least one back pressure spring (26) which pretensions the coupling member (4) in the direction towards the trip position.
- Switching device (1) according to claim 1,
with at least one contact spring (18) which pretensions the movable contact (13,14) in the direction towards one of its two switch positions. - Switching device (1) according to one of claims 1 to 2,
with an electronic control circuit (30) for controlling the first magnet coil (21) and/or the second magnet coil (22). - Switching device (1) according to claim 3,
wherein the control circuit (30) is designed to partially excite the first magnet coil (21) through a clocked holding current, so that the movable contact (13,14) is held in the closed position. - Switching device (1) according to claim 3 or 4,
wherein the control circuit (30) has a de-excitation circuit (37) for the accelerated de-excitation of the first magnet coil (21) in the event of a short circuit in the current path (10). - Switching device (1) according to one of claims 3 to 5,
wherein the control circuit (30) has an electrical energy store (44), in particular a capacitor, for the excitation of the second magnet coil (22) in the event of a short circuit in the current path (10). - Switching device (1) according to claims 3 and 6, wherein the control circuit (30) is designed to de-excite both magnet coils (21,22) or leave them in a de-excited state in order to switch off the current path (10) in an operationally-correct manner with normal load or in the event of overload in the current path (10).
- Switching device (1) according to one of claims 1 to 7,
wherein the coupling member (4) is decoupled from the movable contact (13,14) in its operating position, and wherein the coupling member (4) can be accelerated by the drive unit (3) in the direction towards its trip position in the event of a short circuit in the current path (10), so that it only hits the movable contact (13,14) indirectly or directly with a non-zero pulse. - Switching device (1) according to one of claims 1 to 8,
wherein a low rest current is applied to the first magnet coil (21) and/or the second magnet coil (22) in a de-excited state.
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