EP2936532A2 - Vorrichtung und verfahren zum betrieb eines elektromagnetischen schaltgeräteantriebs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum betrieb eines elektromagnetischen schaltgeräteantriebs

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EP2936532A2
EP2936532A2 EP13814148.6A EP13814148A EP2936532A2 EP 2936532 A2 EP2936532 A2 EP 2936532A2 EP 13814148 A EP13814148 A EP 13814148A EP 2936532 A2 EP2936532 A2 EP 2936532A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
coil
tightening
drive
measurement
Prior art date
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Granted
Application number
EP13814148.6A
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English (en)
French (fr)
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EP2936532B1 (de
Inventor
Ingo Schaar
Witali Steinnagel
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Eaton Intelligent Power Ltd
Original Assignee
Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Eaton Electrical IP GmbH and Co KG filed Critical Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Publication of EP2936532A2 publication Critical patent/EP2936532A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2936532B1 publication Critical patent/EP2936532B1/de
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/1866—Monitoring or fail-safe circuits with regulation loop

Definitions

  • a magnetic field is built in a switching operation in the drive, on the one hand is sufficiently strong to drive the drive mechanism, on the other hand, but not excessive, to avoid damage to the drive mechanism. Damage can arise, for example, when the magnetic field built up by a tightening coil during the tightening process is so strong that so-called contact bouncing occurs. In this case, a contact with high kinetic energy strikes his counter-contact and bounces back again. Depending on the kinetic energy, the contact bounce can repeat several times before finally establishing a permanent contact. This can damage the contacts mechanically. In addition, especially when switching high power during contact bouncing unwanted arcing, which can lead to a contact erosion.
  • a regulation of the movement of an armature of an electromagnetic contactor drive as a function of the armature position is known from US 2006/0171091 A1.
  • the current anchor position may be based on the measurement of the magnetic flux of the Suit coil can be estimated by a processor coil by means of a sensor coil. For estimation, the ratio of measured pull coil current to magnetic flux can be evaluated.
  • a control that only controls the magnetic flux in the drive is not able to respond to different power requirements of the drive through different strokes or mounting positions. The speeds of the mechanics of shooters vary considerably when the stroke is changed within the tolerance range. The installation position also influences the speed.
  • An object of the present invention is to propose an apparatus and / or a method for improved and / or less complex operation of an electromagnetic drive, whereby the speed fluctuations are reduced.
  • the inventive device for operating an electromagnetic switching device drive with a tightening coil has a transducer for generating a signal magnitude corresponding to a magnetic flux of the tightening coil, and a controller for setting a signal for driving the tightening coil during the tightening operation in response to a control difference from a reference variable and the signal size.
  • the reference variable preferably predetermines a determined nominal value course of the magnetic flux of the tightening coil during the tightening process.
  • control is thus combined with the advantages of a control.
  • Monitoring the control and adapting the reference variable function during the tightening process by means of a control system reduces the speed fluctuations caused by stroke tolerances and changes in the installation position and can not be compensated by the setpoint-controlled control. This increases the life of the main contacts.
  • the transducer is provided for generating the signal magnitude based on an induction voltage generated in a coupled to the tightening coil measuring coil by the magnetic flux of the tightening coil in a tightening operation of the drive.
  • An existing in the switching device holding coil can be advantageously used as a measuring coil.
  • the terms holding coil and measuring coil are therefore used synonymously.
  • a magnetic field sensor may be provided to measure the magnetic flux of the tightening coil.
  • the device according to the invention can be advantageously used in any switching device which is driven by means of electromagnets.
  • the signal for driving the tightening coil is basically any suitable signal for driving tightening coils.
  • the signal is a pulse width modulated signal, wherein the controller is then provided for continuously setting a pulse width of the pulse width modulated signal. It is particularly preferred that the controller has a P controller, wherein the pulse width of the pulse width modulated signal is adjustable in proportion to the control difference.
  • the transducer and / or the controller are preferably implemented by a processor and a memory in which a program for calculating the signal magnitude based on the measured induction voltage, to form the control difference from the reference variable and the signal supplied to the processor signal magnitude and for regulating the signal is stored by the control difference. Further preferably, a program for monitoring the control is stored, which adjusts the reference variable in response to a change in the signal for driving the tightening coil.
  • Another object of the invention is a switching device, in particular a contactor, with an electromagnetic switching device drive, which has a tightening coil, wherein a Device according to the invention is provided for operating the electromagnetic switching device drive.
  • Another object of the invention is a method for operating an electromagnetic switching device drive with a tightening coil, wherein a signal corresponding to the magnetic flux of the tightening coil signal size is generated by a transducer, and wherein a controller for a signal for driving the tightening coil during the tightening operation in response to a Control difference from a reference variable and the signal size is set.
  • the control is monitored by a controller, wherein the reference variable is adjusted in response to a change in the signal for driving the tightening coil.
  • a previously determined setpoint course of the magnetic flux of the tightening coil during the tightening process is preferably used as an initial reference variable of the control.
  • the setpoint course is determined in particular as a function of the supply voltage of the drive and / or the temperature of the tightening coil.
  • the measuring transducer preferably measures an induction voltage generated in a measuring coil coupled to the tightening coil by the magnetic flux of the tightening coil during a tightening operation of the drive and sets the signal magnitude on the basis of the measured induction voltage.
  • the signal for driving the tightening coil is preferably a pulse width modulated signal, wherein the controller continuously adjusts a pulse width of the pulse width modulated signal.
  • the controller has a P controller, wherein the pulse width of the pulse width modulated signal is set proportional to the control difference.
  • a first measurement of the signal is made at the beginning of a tightening process, at the first time the drive regardless of influencing factors, ie input voltage, temperature, mounting position and lifting tolerances not is in motion, and that a second measurement of the signal at a time after the first measurement is made, the second time so It is selected that it depends on the influencing variables, whether the drive is either not yet in motion, or is already in motion. Further preferably, the values of the signal in the first measurement and in the second measurement are averaged over a period of time.
  • the measured value of the signal of the first measurement is compared with the measured value of the signal of the second measurement, and the ratio is used as a correction factor for adjusting the reference variable.
  • FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an apparatus for operating an electromagnetic drive according to the invention
  • Fig. 2 is a simplified circuit diagram of an embodiment of a contactor of high power, in which a device according to the invention is integrated.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the device according to the invention, in particular for an electromagnetic drive of a contactor of high power.
  • the contactor drive has a tightening coil 28 and a holding coil 26, which form a controlled system 12.
  • the holding coil 26 is coupled to the tightening coil 28 so that the same magnetic flux ⁇ acts in both coils.
  • a voltage UHalt -N ⁇ dO / dt is established via the holding coil 26 when a magnetic flux ⁇ is generated by the tightening coil during the tightening process.
  • the voltage UHalt corresponds to an induced voltage Ulnd, which is designated in FIG. 1 as quantity x.
  • a transducer 14 calculates the time-dependent magnetic flux ⁇ (t) from the voltage magnitude x and outputs the calculated flux as the signal quantity wx.
  • the control difference xd generated by the subtractor 18 is supplied to a controller 16 with a microprocessor 20 and an actuator 21 for the pulse width of a pulse width modulated signal (P WM signal), the controller 16 depending on the control difference xd and an input voltage Uin the pulse width of a pulse width modulated Sets signal y for driving the suiting coil 28.
  • the PWM signal y has a period T. During each period T, the signal y is turned on for the specified time, on-time, or on-time. The on-time corresponds to the Pulse width of the signal y during each period T and determines the magnetic flux generated in the suiting coil 28 ⁇ (t), since the energized coil 28 is energized when the signal y.
  • the on-time is determined by the controller 16 depending on the control difference xd.
  • a minimum and a maximum value are predetermined, which in extreme cases may have the values 0 and T, respectively.
  • the on-time can be set, for example, proportionally to xd.
  • the controller 16 implements a P-controller, which proportionally converts the control difference xd into the on-time.
  • a reference variable w determines the behavior of the control.
  • This reference variable w is optimized for a contactor which has the largest possible stroke.
  • the controller is able to control different temperatures of the coil or different supply voltages Uein.
  • Mechanical influences can be, for example, manufacturing tolerances.
  • a contactor can also have smaller strokes. With a smaller stroke, a higher speed is measured during the contact closure or the armature core shock.
  • the installation position also plays a role when it comes to the required force that must be applied by the contactor drive. The higher speeds result from higher accelerations and are directly related to the forces acting on the mechanics.
  • the required power requirement is determined in the first phases of the tightening process and the reference variable function w is adjusted on the basis of the determined values.
  • the stored reference variable w is determined by applying a DC voltage, the so-called trip voltage.
  • the magnetic flux is absorbed during the tightening process.
  • the time course of the magnetic flux from the application of the voltage to the armature core shock is used as a reference variable w. This process preferably takes place at the largest possible stroke.
  • This one Reference variable w is always used unchanged in the prior art methods, always the same magnetic forces are built, although they are not always needed. This is the case, for example, when the contactor is not mounted on the wall but on a table. Then in addition to the magnetic forces and the acceleration of gravity acts on the drive.
  • the task of the control 16 is to ensure, during the tightening phase, that the prescribed magnetic flux is generated in the suiting coil 28.
  • the on-time of the controller 16 must be set so that in the suit coil 28 with its ohmic resistance of the magnetic flux can be established. This process depends on the inductance of the attraction coil 28 and the resistance of the copper of the coil.
  • the inductance LAnzug of the attraction coil is inversely proportional to the air gap and thus to the path s.
  • the coil resistance Reu depends on the temperature. If the temperature influence can be eliminated or is minimal, the behavior of the control 16 is only dependent on the air gap.
  • a second measurement of the y values by the monitor 40 is made at a time after the first measurement when the drive is either not yet in motion or has already started to move.
  • the time of the second measurement is chosen so that at a high power requirement of the drive this is not yet in motion, while at a lower power requirement of the drive this will have already set in motion.
  • the measured values of the first measurement of the y values and the second measurement of the y values will be substantially the same.
  • the air gap sAir is already reduced compared to its initial value at the time of the second measurement. As the air gap decreases, the inductance LAnz of the attraction coil 28 increases:
  • the controller 16 responds by lowering the PWM (y) to prevent this.
  • the method can also be started with the smallest guide curve w. Then, the second measurement must be made at a time when the drive with the smallest stroke must already be in motion, while the one with a larger stroke has not or only very slightly moved.
  • the voltage Ulnd is induced in the holding coil 26 due to the magnetic flux generated by the tightening coil 28.
  • This voltage Ulnd is converted via a resistor network 24, in particular a voltage divider, into a voltage which is supplied to an input of a microprocessor or controller of the control 16 for further processing.
  • the microprocessor or controller of the controller 16 executes a stored in a (not shown) memory operating program of the contactor, which implements the control 16 shown in Figure 1 in principle.
  • the control variable w for the control is stored as setpoint curve 22 of the magnetic flux ⁇ (t) during the tightening process and is read out for the purposes of the control 16.
  • a magnetic sensor such as a Hall sensor or GMR (Giant Magneto Resistance), may alternatively be provided instead of the measuring coil 26.
  • the regulation 16 of the electromagnetic drive of a switching device can be generated by setting a defined magnetic flux ⁇ of the tightening coil 28 of the electromagnetic drive, whereby the input voltage and temperature of the tightening coil can be achieved almost independent behavior of the drive.
  • the control 16 which regulates only the magnetic flux in the drive, but is not able to respond to different power needs of the drive at different strokes or mounting positions. Therefore, the advantage of the control 16, namely independence from voltage and temperature of the system, is combined with the advantages of the control 4 by providing monitoring of the control 16 and adjustment of the command variable function w during the tightening operation by the controller 4.
  • the invention can be applied in any switching device that is driven by means of electromagnets. For contactors of high performance, the use is particularly advantageous.

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Abstract

Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule, aufweisend einen Messwandler zum Erzeugen einer Signalgröße, die einem magnetischen Fluss der Anzugspule entspricht, und einen Regler zum Einstellen eines Signals zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs, sowie Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem elektromagnetischen Schaltgeräteantrieb, der eine Anzugspule aufweist, sowie Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule, wobei durch einen Messwandler eine dem magnetischen Fluss der Anzugspule entsprechende Signalgröße erzeugt wird, und wobei durch einen Regler ein Signal zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs eingestellt wird.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES ELEKTROMAGNETISCHEN SCHALTGERÄTEANTRIEBS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule, aufweisend einen Messwandler zum Erzeugen einer Signalgröße, die einem magnetischen Fluss der Anzugspule entspricht, und einen Regler zum Einstellen eines Signals zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs, sowie ein Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem elektromagnetischen Schaltgeräteantrieb, der eine Anzugspule aufweist, sowie weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule, wobei durch einen Messwandler eine dem magnetischen Fluss der Anzugspule entsprechende Signalgröße erzeugt wird, und wobei durch einen Regler ein Signal zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs eingestellt wird.
Bei Schaltgeräten, wie beispielsweise Leistungsschützen mit elektromagnetischem Antrieb, wird bei einem Schaltvorgang im Antrieb ein magnetisches Feld aufgebaut, das einerseits ausreichend stark ist, um die Antriebsmechanik anzutreiben, andererseits aber auch nicht übermäßig stark ist, um Beschädigungen der Antriebsmechanik zu vermeiden. Beschädigungen können beispielsweise dann entstehen, wenn das durch eine Anzugspule beim Anzugvorgang aufgebaute Magnetfeld so stark ist, dass es zum sogenannten Kontaktprellen kommt. Hierbei schlägt ein Kontakt mit hoher kinetischer Energie auf seinen Gegenkontakt und prallt wieder zurück. Abhängig von der kinetischen Energie kann sich das Kontaktprellen mehrmals wiederholen, bevor schließlich ein dauerhafter Kontakt zustande kommt. Dadurch können die Kontakte mechanisch beschädigt werden. Außerdem können vor allem beim Schalten hoher Leistungen beim Kontaktprellen unerwünschte Lichtbögen entstehen, die zu einem Kontaktabbrand führen können.
Aus der US 2006/0171091 AI ist eine Regelung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schützantriebs abhängig von der Ankerstellung bekannt. Die aktuelle Ankerstellung kann hierbei basierend auf der Messung des magnetischen Flusses der Anzugspule mittels einer Sensorspule von einem Prozessor geschätzt werden. Zur Schätzung kann das Verhältnis von gemessenem Anzugspulenstrom zum magnetischen Fluss ausgewertet werden. Eine Regelung, die nur den magnetischen Fluss im Antrieb regelt, ist nicht in der Lage auf unterschiedliche Kraftbedürfnisse des Antriebs durch verschiedene Hübe oder Einbaulagen zu reagieren. Die Geschwindigkeiten der Mechanik bei Schützen schwanken erheblich, wenn der Hub innerhalb des Toleranzbereiches verändert wird. Auch die Einbaulage hat Einfluss auf die Geschwindigkeit.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zum verbesserten und/oder weniger aufwändigen Betrieb eines elektromagnetischen Antriebs vorzuschlagen, wodurch die Geschwindigkeitsschwankungen reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule weist einen Messwandler zum Erzeugen einer Signalgröße auf, die einem magnetischen Fluss der Anzugspule entspricht, sowie einen Regler zum Einstellen eines Signals zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs in Abhängigkeit von einer Regeldifferenz aus einer Führungsgröße und der Signalgröße. Die Führungsgröße gibt vorzugsweise einen ermittelten Sollwertverlauf des magnetischen Flusses der Anzugspule während des Anzugvorgangs vor. Ein Vorteil dieser Regelung besteht darin, dass Unabhängigkeit von Eingangsspannung und Temperatur des Schaltgeräteantriebs erreicht wird. Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Steuerung zur Überwachung der Regelung und zur Anpassung der Führungsgröße in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs vorgesehen.
Der Vorteil der Regelung wird somit mit den Vorteilen einer Steuerung kombiniert. Durch die Überwachung der Regelung und Anpassung der Führungsgrößenfunktion während des Anzugsvorgangs durch eine Steuerung werden die Geschwindigkeitsschwankungen reduziert, die durch Hubtoleranzen und durch veränderte Einbaulage entstehen und nicht durch die sollwertgeführte Regelung ausgleichbar sind. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Hauptkontakte.
Bevorzugt ist der Messwandler zum Erzeugen der Signalgröße anhand einer in einer mit der Anzugspule gekoppelten Messspule durch den magnetischen Fluss der Anzugspule bei einem Anzugvorgang des Antriebs erzeugten Induktionsspannung vorgesehen. Eine in dem Schaltgeräteantrieb vorhandene Haltespule kann vorteilhaft als Messspule eingesetzt werden. Die Begriffe Haltespule und Messspule werden daher synonym benutzt. Alternativ kann zum Messen des magnetischen Flusses der Anzugspule ein Magnetfeld-Sensor vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft bei jedem Schaltgerät angewendet werden, das mit Hilfe von Elektromagneten angetrieben wird. Das Signal zum Ansteuern der Anzugspule ist grundsätzlich eine beliebiges geeignetes Signal zum Ansteuern von Anzugspulen. Bevorzugt ist das Signal ein pulsweitenmoduliertes Signal, wobei der Regler dann zum kontinuierlichen Einstellen einer Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Regler einen P-Regler aufweist, wobei die Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals proportional zur Regeldifferenz einstellbar ist.
Der Messwandler und/oder der Regler sind vorzugsweise durch einen Prozessor und einen Speicher implementiert, in dem ein Programm zum Berechnen der Signalgröße anhand der gemessenen Induktionsspannung, zum Bilden der Regeldifferenz aus der Führungsgröße und aus der dem Prozessor zugeführten Signalgröße und zum Regeln des Signals abhängig von der Regeldifferenz gespeichert ist. Weiterhin bevorzugt ist ein Programm zur Überwachung der Regelung gespeichert, das die Führungsgröße in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals zum Ansteuern der Anzugspule anpasst.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Schaltgerät, insbesondere ein Schütz, mit einem elektromagnetischen Schaltgeräteantrieb, der eine Anzugspule aufweist, wobei eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb des elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs vorgesehen ist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs mit einer Anzugspule, wobei durch einen Messwandler eine dem magnetischen Fluss der Anzugspule entsprechende Signalgröße erzeugt wird, und wobei durch einen Regler ein Signal zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs in Abhängigkeit von einer Regeldifferenz aus einer Führungsgröße und der Signalgröße eingestellt wird. Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Regelung durch eine Steuerung überwacht wird, wobei die Führungsgröße in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals zum Ansteuern der Anzugspule angepasst wird. Als anfängliche Führungsgröße der Regelung wird bevorzugt ein zuvor ermittelter Sollwertverlauf des magnetischen Flusses der Anzugspule während des Anzugvorgangs verwendet. Der Sollwertverlauf wird insbesondere abhängig von der Versorgungsspannung des Antriebs und/oder der Temperatur der Anzugspule ermittelt.
Bevorzugt wird durch den Messwandler eine in einer mit der Anzugspule gekoppelten Messspule durch den magnetischen Fluss der Anzugspule bei einem Anzugvorgang des Antriebs erzeugte Induktionsspannung gemessen und die Signalgröße anhand der gemessenen Induktionsspannung eingestellt.
Das Signal zum Ansteuern der Anzugspule ist vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal, wobei durch den Regler eine Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals kontinuierlich eingestellt wird. Der Regler weist insbesondere einen P-Regler auf, wobei die Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals proportional zur Regeldifferenz eingestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Überwachung der Regelung durch die Steuerung eine erste Messung des Signals zu Beginn eines Anzugvorgangs vorgenommen wird, wobei zu dem ersten Zeitpunkt der Antrieb unabhängig von Einflussgrößen, also Eingangsspannung, Temperatur, Einbaulage und Hubtoleranzen, nicht in Bewegung ist, und dass eine zweite Messung des Signals zu einem Zeitpunkt nach der ersten Messung vorgenommen wird, wobei der zweite Zeitpunkt so gewählt wird, dass es abhängig von den Einflussgrößen ist, ob der Antrieb entweder noch nicht in Bewegung ist, oder bereits in Bewegung ist. Weiterhin bevorzugt werden die Werte des Signals bei der ersten Messung und bei der zweiten Messung über einen Zeitraum gemittelt.
Weiterhin bevorzugt wird der gemessene Wert des Signals der ersten Messung mit dem gemessenen Wert des Signals der zweiten Messung ins Verhältnis gesetzt und das Verhältnis als Korrekturfaktor zur Anpassung der Führungsgröße verwendet. Alternativ ist vorgesehen, den gemessenen Wert des Signals der ersten Messung mit dem gemessenen Wert des Signals der zweiten Messung ins Verhältnis zu setzen und das Verhältnis zur Anpassung der Führungsgröße durch Auswahl aus einer hinterlegten Zuordnungstabelle von Verhältnis und Führungsgröße zu verwenden.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockdiagram eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Antriebs gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Schützes großer Leistung, in das eine Vorrichtung gemäß der Erfindung integriert ist.
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen. Die Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schützes großer Leistung. Der Schützantrieb weist eine Anzugspule 28 und eine Haltespule 26 auf, welche eine Regelstrecke 12 bilden. Konstruktiv ist die Haltespule 26 mit der Anzugspule 28 so gekoppelt, dass in beiden Spulen derselbe magnetische Fluss Φ wirkt. Dadurch stellt sich über die Haltespule 26 eine Spannung UHalt = -N · dO/dt ein, wenn ein magnetischer Fluss Φ während des Anzugvorgangs von der Anzugspule erzeugt wird. Die Spannung UHalt entspricht einer induzierten Spannung Ulnd, die in Fig. 1 als Größe x bezeichnet ist. Ein Messwandler 14 errechnet aus der Spannungsgröße x den zeitabhängigen magnetischen Fluss < (t) und gibt den berechneten Fluss als Signalgröße wx aus.
Ein Subtrahierer 18 subtrahiert die Signalgröße wx von einer Führungsgröße w, die einen Sollwertverlauf des magnetischen Flusses in der Anzugspule während des Anzugvorgangs vorgibt. Der Sollwertverlauf wurde hierbei abhängig von verschiedenen Einflüssen auf den Antrieb ermittelt. Hierzu werden Messungen des magnetischen Flussverlaufs in der Anzugspule während verschiedener unterschiedlicher Einflüsse auf den Schützantrieb durchgeführt. Messungen können für verschiedene Einbaulagen des Schützes, bei verschiedenen Versorgungsspannungen des Antriebs und/oder bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. Aus den durch die verschiedenen Messungen ermittelten Flussverläufen wird dann ein Sollwertverlauf ermittelt, der an eine optimale Funktion des Antriebs unter verschiedenen Betriebsbedingungen angepasst ist, insbesondere eine möglichst optimale Funktion für verschiedene Einbaulagen, Versorgungsspannung und Temperaturbereiche gewährleistet.
Die vom Subtrahierer 18 erzeugte Regeldifferenz xd wird einem Regler 16 mit einem Mikroprozessor 20 und einer Stelleinrichtung 21 für die Pulsweite eines pulsweitenmodulierten Signals (P WM-Signal) zugeführt, wobei der Regler 16 abhängig von der Regeldifferenz xd und einer Eingangsspannung Uein die Pulsweite eines pulsweitenmodulierten Signals y zum Ansteuern der Anzugspule 28 einstellt. Das PWM- Signal y weist eine Periode T auf. Während jeder Periode T wird das Signal y für die bestimmte Zeit, die Einschaltzeit oder On-Zeit eingeschaltet. Die On-Zeit entspricht der Pulsweite des Signals y während jeder Periode T und bestimmt den in der Anzugspule 28 erzeugten magnetischen Fluss < (t), da bei eingeschaltetem Signal y die Anzugspule 28 bestromt wird. Die On-Zeit wird vom Regler 16 abhängig von der Regeldifferenz xd bestimmt. Typischerweise sind ein Minimal- und ein Maximalwert vorgegeben, die im Extremfall die Werte 0 bzw. T haben können. Zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert kann die On-Zeit beispielsweise proportional zu xd eingestellt werden. In diesem Fall implementiert der Regler 16 einen P-Regler, der die Regeldifferenz xd proportional in die On-Zeit umsetzt. Durch diese Regelung kann der magnetische Fluss der Anzugspule 28 sehr genau und fein eingestellt werden.
Bei der Antriebsregelung für Schütze wird eine Verfahren verwendet, bei dem eine Führungsgröße w das Verhalten der Regelung vorgibt. Diese Führungsgröße w ist für einen Schütz optimiert, welcher den größten möglichen Hub aufweist. Dabei ist der Regler in der Lage, unterschiedliche Temperaturen der Spule oder unterschiedliche Versorgungsspannungen Uein auszuregeln. Er ist jedoch nicht in der Lage, die Einflüsse aus der Mechanik auszuregeln, um immer die optimale Kraft aufzuwenden. Mechanische Einflüsse können zum Beispiel Fertigungstoleranzen sein. Durch diese kann ein Schütz auch kleinere Hübe haben. Bei kleinerem Hub wird eine höhere Geschwindigkeit während des Kontaktschlusses bzw. des Anker- Kern- Stoßes gemessen. Auch die Einbaulage spielt eine Rolle, wenn es um den benötigten Kraftaufwand geht, den der Schützantrieb aufbringen muss. Die höheren Geschwindigkeiten resultieren aus höheren Beschleunigungen und haben einen direkten Zusammenhang mit den wirkenden Kräften, denen die Mechanik ausgesetzt wird. Ein Ansteigen der Kräfte, die auf die Mechanik wirken, hat wiederum negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Gerätes. Daher wird erfindungsgemäß der benötigte Kraftbedarf in den ersten Phasen des Anzugsvorgangs bestimmt und auf Grundlage der ermittelten Werte die Führungsgrößenfunktion w angepasst.
Die eingespeicherte Führungsgröße w wird durch Anlegen einer Gleichspannung, der sogenannten Tripspannung, ermittelt. Dabei wird der magnetische Fluss während des Anzugsvorgangs aufgenommen. Der zeitliche Verlauf des magnetischen Flusses vom Anlegen der Spannung bis zum Anker- Kern- Stoß wird als Führungsgröße w verwendet. Dieser Vorgang findet vorzugsweise beim größten möglichen Hub statt. Da diese Führungsgröße w bei den Verfahren nach dem Stand der Technik immer unverändert verwendet wird, werden immer dieselben magnetischen Kräfte aufgebaut, obwohl diese nicht immer benötigt werden. Dies ist zum Beispiel der Fall wenn der Schütz nicht an der Wand sondern auf einem Tisch montiert ist. Dann wirkt zusätzlich zu den magnetischen Kräften auch die Erdbeschleunigung auf den Antrieb.
Da das Einmessen, wie oben beschrieben, zur Ermittlung der Führungsgröße w mit einer bestimmten Tripspannung UTrip erfolgte, muss der Regler durch Einstellen der PWM (Größe y) immer eine äquivalente Spannung Uäqui der Anzugsspule 28 zur Verfügung stellen. Sind die Verhältnisse gleich den Verhältnissen beim Einmessen dann gilt UTrip = Uäqui = Uein · y. Wird nun die benötigte Kraft verkleinert, zum Beispiel weil der Hub verkleinert wurde, dann wird die obere Gleichung zu einer Ungleichung: UTrip > Uäqui = Uein · y. Diese Ungleichung resultiert aus dem veränderten Signal y, welches durch die Regelung eingestellt wird, um den vorgegebenen magnetischen Fluss einzuhalten. Somit kann durch Auswerten der y- Werte auf den benötigten Kraftbedarf zurückgeschlossen werden.
Die Aufgabe der Regelung 16 ist es, während der Anzugsphase, dafür zu sorgen, dass in der Anzugsspule 28 der vorgegebene magnetische Fluss generiert wird. Somit muss die On-Zeit vom Regler 16 so eingestellt werden, dass in der Anzugsspule 28 mit ihrem ohmschen Widerstand der magnetische Fluss aufgebaut werden kann. Dieser Vorgang hängt von der Induktivität der Anzugsspule 28 und dem Widerstand des Kupfers der Spule ab. Die Induktivität LAnzug der Anzugsspule ist umgekehrt proportional zum Luftspalt und somit zum Weg s. Der Spulenwiderstand Reu ist von der Temperatur abhängig. Wenn der Temperatureinfluss herausgerechnet werden kann oder minimal ist, ist das Verhalten der Regelung 16 nur vom Luftspalt abhängig.
Erfindungsgemäß wird die Regelung 16 durch eine Steuerung 4 überwacht, wobei die Führungsgröße w in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals y zum Ansteuern der Anzugspule 28 angepasst wird. Um den Einfluss der Temperatur auf die Steuerung 4 auszuschließen, wird zum Beginn des Anzugsvorgangs durch die Steuerung 4 mit einer Überwachung 40 eine Messung der y- Werte vorgenommen. Dabei wird über einen Zeitraum der Mittelwert der y- Werte gebildet. Dieser Wert ist proportional zur Spannung Uäqui. In diesem ermittelten Wert ist durch die Regelung 16 eine Abweichung, bedingt durch Einflüsse, wie Temperatur usw., enthalten. Die Abweichung lässt sich durch einen Faktor mathematisch beschreiben. Es wird angenommen, dass die Abweichungen während eines Anzugvorganges konstant sind. Wird nun zu einem späteren Zeitpunkt während des Anzugvorgangs erneut der Mittelwert der Werte y des Signals bestimmt, so enthält auch dieser Mittelwert dieselbe Abweichung.
Eine zweite Messung der y- Werte durch die Überwachung 40 wird zu einem Zeitpunkt nach der ersten Messung durchgeführt, zu dem der Antrieb entweder noch nicht in Bewegung ist, oder sich bereits in Bewegung gesetzt hat. Der Zeitpunkt der zweiten Messung wird so gewählt, dass bei einem hohen Kraftbedarf des Antriebs dieser noch nicht in Bewegung ist, während bei einem geringeren Kraftbedarf des Antriebes dieser sich bereits in Bewegung gesetzt haben wird. Für den Fall, dass der Antrieb noch nicht in Bewegung ist, werden die gemessenen Werte der ersten Messung der y- Werte und der zweiten Messung der y- Werte im Wesentlichen gleich sein. Ist jedoch der Kraftbedarf des Antriebs geringer, und der Antrieb hat sich bereits in Bewegung gesetzt, dann ist zum Zeitpunkt der zweiten Messung bereits der Luftspalt sAir gegenüber seinem Ausgangswert verkleinert. Mit sich verkleinerndem Luftspalt steigt die Induktivität LAnz der Anzugsspule 28:
LAnz (sAir) = Φ / Θ · (NAnz)2 = A · (μΡε / sFe + μΑή / sAir) · (NAnz)2 .
Nun wird der Regler 16 auf diesen Umstand reagieren und die PWM verkleinern um den geforderten magnetischen Fluss nicht zu überschreiten:
Θ = Ogeregelt / LAnz (sAir) · (NAnz)2 = IAnz · NAnz , mit IAnz ~ Uein · y · f(t,x).
Durch die Regelung 16 ist der magnetische Fluss Φ vorgegeben. Steigt die Induktivität LAnz der Anzugspule 28 an, so muss die Durchflutung Θ verkleinert werden. Die Durchflutung Θ ist, wie oben gezeigt, über die Windungszahl NAnz der Anzugsspule 28 mit dem erregenden Strom IAnz und der Spannung Uäqui gekoppelt. Eine Funktion f(t,x), welche den Verlauf der Führungsgröße w beschreibt, hat eine Form von: f(t,x) = (1 - exp(l - a(x) · t / L)) / a(x). Weicht die Funktion f(t,x) von der Funktion während des Einmessens ab, würde das über die Verkettung Einfluss auf den magnetischen Fluss Φ haben. Da das System so ausgelegt ist, dass jede Änderung zu einem Anstieg des magnetischen Flusses führen würde, reagiert die Regelung 16 mit einer Absenkung der PWM (y), um das zu verhindern. Das Verfahren kann auch mit der kleinsten Führungskurve w gestartet werden. Dann muss die zweite Messung zu einem Zeitpunkt erfolgen, an dem der Antrieb mit kleinstem Hub bereits in Bewegung sein muss, während derjenige mit größerem Hub sich noch nicht oder nur sehr geringfügig bewegt hat.
Eine Auswertung 41 beinhaltet beispielsweise, die beiden ermittelten y- Werte ytl und yt2 der ersten Messung zum Zeitpunkt tl und der zweiten Messung zum Zeitpunkt t2 ins Verhältnis zu setzen: ß = ytl / yt2. Dieser Wert ß kann direkt mit der Führungsgröße w verrechnet werden und der Regelung durch die Anpassung 42 zur Verfügung gestellt werden: wneu = w · ß. Sollte der zur Verfügung stehende Prozessor 20 nicht genügend Performance bereitstellen, so können alternativ auch verschiedene Führungsfunktionen w hinterlegen werden. Anhand des Verhältnisses ß kann dann die passende Funktion w ausgewählt werden.
Die Figur 2 zeigt ein schematisches vereinfachtes Schaltbild eines Schützes großer Leistung mit einer Implementierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1 durch die Regelung 16 mit dem Mikrokontroller 20 (siehe Figur 1). Das Schütz ist in der Regel über die beiden Versorgungsanschlüsse AI und A2 mit einer Wechselspannung verbunden. Das Schütz kann hierbei darauf ausgelegt sein, um mit einer Wechselspannung in einem Bereich von wenigen Volt bis mehreren Hundert Volt gespeist zu werden. Die an den Eingängen AI und A2 anliegende Spannung wird einer Gleichstrom (DC) - Spannungsversorgung 30 zugeführt, die in der Regel eine Gleichrichterschaltung enthält. Eine erste von der DC - Spannungsversorgung 30 erzeugte Gleichspannung wird direkt einer Anzugspule 28 des Schaltantriebs des Schützes zugeführt. Eine zweite von der DC - Spannungsversorgung 30 erzeugte Gleichspannung wird direkt einer Haltespule 26 des Schaltantriebs zugeführt. Die Anzugspule 28 und die Haltespule 26 sind jeweils über einen FET (Feldeffekt-Transistor) 32 bzw. 34 mit einem Bezugspotential verbindbar, so dass bei durchgeschalteten FET die jeweilige Spule bestromt und ein magnetischer Fluss erzeugt wird. Während eines Schaltvorgangs wird beim Anzugvorgang nur die Anzugspule 28 bestromt, wodurch der Schaltantrieb bewegt wird, um die Schaltkontakte (nicht dargestellt) des Schützes zu schließen. Wenn die Schaltkontakte geschlossen sind, wird in den Haltebetrieb umgeschaltet, in dem nur die Haltespule 26 bestromt wird. Durch die konstruktive Auslegung der Halte- und Anzugspule 26 bzw. 28 sind beide so gekoppelt, dass in ihnen bei Bestromung einer der beiden Spulen derselbe magnetische Fluss Φ fließt. Beim Anzugvorgang wird daher in der Haltespule 26 aufgrund des von der Anzugspule 28 erzeugten magnetischen Flusses die Spannung Ulnd induziert. Diese Spannung Ulnd wird über ein Widerstandsnetzwerk 24, insbesondere einem Spannungsteiler, in eine Spannung umgewandelt, die zur weiteren Verarbeitung einem Eingang eines Mikroprozessors oder -kontrollers der Regelung 16 zugeführt wird. Der Mikroprozessor oder -kontroller der Regelung 16 führt ein in einem (nicht dargestellten) Speicher abgelegtes Betriebsprogramm des Schützes aus, welches im Prinzip die in der Figur 1 gezeigte Regelung 16 implementiert. Die Führungsgröße w für die Regelung ist als Sollwertverlauf 22 des magnetischen Flusses < (t) während des Anzugvorgangs gespeichert und wird für die Zwecke der Regelung 16 ausgelesen. Durch die durch das Betriebsprogamm implementierte Regelung 16 erzeugt der Mikroprozessor oder - kontroller 20 das Signal y zur Ansteuerung des Anzugspulen-FETs 32. Die Steuerung 4 wiederum überwacht das Signal y in der oben mit Bezug auf Figur 1 beschriebenen Art und Weise und ändert bei Bedarf den Sollwertverlauf 22 des magnetischen Flusses < (t) während des Anzugvorgangs, also die Führungsgröße w für die Regelung 16. Ein entsprechendes Betriebsprogramm der Steuerung 4 kann durch den selben Mikroprozessor ausgeführt werden, wie das Programm der Regelung 16.
Um den magnetischen Fluss zu messen, kann statt der Messspule 26 alternativ ein magnetischer Sensor (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Hallsensor oder GMR (Giant Magneto Resistance; Riesenmagnetowiderstand) vorgesehen sein.
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Regelung 16 des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts durch Einstellen eines definierten magnetischen Flusses Φ der Anzugspule 28 des elektromagnetischen Antriebs erzeugt werden, wodurch von der Eingangsspannung und Temperatur der Anzugspule nahezu unabhängiges Verhalten des Antriebs erreicht werden kann. Die Regelung 16, die nur den magnetischen Fluss im Antrieb regelt, ist jedoch nicht in der Lage, auf unterschiedliche Kraftbedürfnisse des Antriebes bei verschiedenen Hüben oder Einbaulagen zu reagieren. Daher wird der Vorteil der Regelung 16, nämlich Unabhängigkeit von Spannung und Temperatur des Systems, mit den Vorteilen der Steuerung 4 kombiniert, indem eine Überwachung der Regelung 16 und Anpassung der Führungsgrößenfunktion w während des Anzugsvorgangs durch die Steuerung 4 vorgesehen wird. Die Erfindung kann in jedem Schaltgerät angewendet werden, dass mit Hilfe von Elektromagneten angetrieben wird. Für Schütze großer Leistung ist der Einsatz besonders vorteilhaft. Die Geschwindigkeit der Mechanik von Schützen kann erheblich schwanken, wenn der Hub innerhalb des Toleranzbereiches verändert wird. Auch die Einbaulage hat Einfluss auf die Geschwindigkeit. Durch die erfindungsgemäße Steuerung 4 werden die Geschwindigkeitsschwankungen reduziert. Durch geringere Geschwindigkeiten beim Kontaktschluss wird das Prellen minimiert. Dadurch werden die Kontakte weniger belastet und die Lebenserwartung der Kontakte steigt. Eventuell können teure Materialien aus Silber eingespart werden.
Bezugszeichen
12 Schaltgeräteantrieb
14 Messwandler
16 Regler
18 Subtrahierer
20 Mikrokontroller
21 Steller
22 Gespeicherter Sollwertverlauf
24 Widerstandsnetzwerk
26 Haltespule
28 Anzugspule
30 Gleichstrom (DC) - Spannungsversorgung
32 Haltespulen-FET
34 Anzugspulen-FET
4 Steuerung
40 Überwachung
41 Auswertung
42 Anpassung
AI Eingang
A2 Eingang
wx Signalgröße
w Führungsgröße
xd Regeldifferenz
x Messwert
y Signal zur Ansteuerung

Claims

Ansprüche
Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs (12) mit einer Anzugspule (28), aufweisend einen Messwandler (14; 24) zum Erzeugen einer Signalgröße (wx), die einem magnetischen Fluss der Anzugspule entspricht, und einen Regler (16) zum Einstellen eines Signals (y) zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs in Abhängigkeit von einer Regeldifferenz (xd) aus einer Führungsgröße (w) und der Signalgröße (wx), wobei eine Steuerung (4) zur Überwachung der Regelung und zur Anpassung der Führungsgröße (w) in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals (y) zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Signal (y) zum Ansteuern der Anzugspule ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, wobei der Regler (16) zum kontinuierlichen Einstellen einer Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsgröße (w) einen ermittelten Sollwertverlauf (22) des magnetischen Flusses der Anzugspule (28) während des Anzugvorgangs vorgibt.
Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem elektromagnetischen Schaltgeräteantrieb (12), der eine Anzugspule (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Vorrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
5. Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schaltgeräteantriebs (12) mit einer Anzugspule (28), wobei durch einen Messwandler (14, 24) eine dem magnetischen Fluss der Anzugspule entsprechende Signalgröße (wx) erzeugt wird, und wobei durch einen Regler (16) ein Signal (y) zum Ansteuern der Anzugspule während des Anzugvorgangs in Abhängigkeit von einer Regeldifferenz (xd) aus einer Führungsgröße (w) und der Signalgröße (wx) eingestellt wird, wobei die Regelung durch eine Steuerung (4) überwacht wird und wobei die Führungsgröße (w) in Abhängigkeit von einer Änderung des Signals (y) zum Ansteuern der Anzugspule angepasst wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Messwandler (14; 24) eine in einer mit der Anzugspule (28) gekoppelten Messspule (26) durch den magnetischen Fluss der Anzugspule (28) bei einem Anzugvorgang des Antriebs erzeugte Induktionsspannung (x) gemessen wird und die Signalgröße (wx) anhand der gemessenen Induktionsspannung (x) eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Messung des Signals (y) an einem ersten Zeitpunkt zu Beginn eines
Anzugvorgangs vorgenommen wird, wobei zu dem ersten Zeitpunkt der Antrieb unabhängig von Einflussgrößen nicht in Bewegung ist, und dass eine zweite Messung des Signals (y) zu einem zweiten Zeitpunkt nach der ersten Messung vorgenommen wird, wobei der zweite Zeitpunkt so gewählt wird, dass eine Abhängigkeit von den Einflussgrößen besteht, ob der Antrieb noch nicht in Bewegung ist oder bereits in Bewegung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Signals der ersten Messung mit den Werten des Signals der zweiten Messung ins Verhältnis gesetzt werden, wobei das Verhältnis als Korrekturfaktor zur Anpassung der Führungsgröße (w) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Signals der ersten Messung mit den Werten des Signals der zweiten Messung ins Verhältnis gesetzt werden, wobei das Verhältnis zur Anpassung der Führungsgröße durch Auswahl aus einer Zuordnungstabelle von Verhältnis und Führungsgröße verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des Signals bei der ersten Messung und bei der zweiten Messung über einen Zeitraum gemittelt werden.
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