EP3544042A1 - Schütz mit einer energieeffizienten spulenansteuerung - Google Patents

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EP3544042A1 EP18163601.0A EP18163601A EP3544042A1 EP 3544042 A1 EP3544042 A1 EP 3544042A1 EP 18163601 A EP18163601 A EP 18163601A EP 3544042 A1 EP3544042 A1 EP 3544042A1
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    • H01F2007/1888—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings using pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a contactor with an energy-efficient coil drive.
  • a contactor usually works on the principle of an electromagnet.
  • a current in the excitation coil generates a magnetic flux through a ferromagnetic core and a movably mounted ferromagnetic armature.
  • At an air gap there is a force acting on the armature, whereby this one or more contacts of the switching element switches.
  • the armature is returned by spring force to the starting position as soon as the coil is no longer energized.
  • the opening or closing of the switching element is controlled by the excitation of the coil.
  • By energizing the coil connected to the armature movably mounted contact with a fixed contact of the switching element is electrically conductively connected or electrically isolated from the fixed contact.
  • the guided over the switching element power supply of the circuit is maintained.
  • In the open state the guided over the switching element power supply of the circuit is interrupted.
  • PLC programmable logic controller
  • a resistor is often connected in parallel to the contactor.
  • the disadvantage here is that the current is constantly flowing through these resistors, so that it comes on the one hand to a warming and on the other to a useless power loss.
  • the object of the present invention is to provide a contactor with an energy efficient electronic coil drive.
  • this object is achieved by a contactor with an energy-efficient coil drive, wherein the coil drive terminals A1 / A2, which drive by applying a control voltage, a coil by turn-on, which is formed by a comparator 1 and wherein a comparator 2 is designed as a multivibrator and wherein the comparators 1 and 2 on the output side alternately drive field effect transistors FET1 and FET2.
  • the solenoid is controlled by means of switch-on pulse in full (maximum current).
  • This switch-on pulse is generated by means of comparator 1, the pulse length is variable.
  • the comparator 1 first outputs a high signal and then LOW permanently.
  • the comparator 2 works as a multivibrator.
  • the two comparator outputs drive field effect transistors FET1 and FET2 (MOSFETs), which are connected in parallel in the coil circuit. If the FET 1 is conducting, the FET 2 (which generates the PWM) is bypassed, the switch-on pulse acts in full. After the switch-on pulse has expired, FET 1 blocks, and now only the PWM acts on the coil. With this circuit arrangement, the holding power can be reduced to freely selectable values.
  • This circuit can be used to implement a basic requirement for DC contactors. The requirement is to reduce the holding power of the contactor coil without additional heat loss. This circuit can be placed in the smallest space. It is very cost effective, since only a dual comparator, 2 FETs and a few resistors or capacitors are necessary. Another big advantage is that you can do without a controller with the appropriate firmware. If required, this circuit can also be mounted as an external ballast on standard DC contactors.
  • the switch-on pulse generated by means of comparator 1 is variable.
  • An inventive continuation of this concept may consist in that the comparator 1 for generating a switching pulse first a high signal and then permanently a low signal is generated.
  • the circuit is formed on the comparator 2 such that the switching frequency and current flow time is adjustable by the magnetic coil.
  • At least one field effect transistor FET1 or FET2 is designed as a MOSFET.
  • the field-effect transistors FET1 and FET2 are connected in parallel in the coil circuit.
  • An inventive continuation of this concept may consist in that when driving the field effect transistor 1, the field effect transistor 2 is connected bridged.
  • the field transistor effect FET1 is blocked after the switch-on pulse has expired.
  • the coil drive is designed with a freely selectable holding power.
  • this coil drive is formed in an external ballast to a standard DC contactor.
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil drive has connections A1 / A2 which, after the application of the control voltage, drive the coil by means of the switch-on pulse in full (maximum current).
  • This switch-on pulse is generated by means of a comparator 1, the pulse length is variable.
  • the comparator 1 first outputs a high signal and then permanently low.
  • Another comparator 2 works as a multivibrator. By suitable wiring of the comparator 2, the switching frequency and also the current flow time through the coil can be adjusted.
  • the two comparators 1 and 2 control field-effect transistors FET1 and FET2, in particular MOSFETs, which are preferably connected in parallel in the coil circuit.
  • the field effect transistor FET 1 If the field effect transistor FET 1 is conductive, the field effect transistor FET 2, which generates the pulse width modulation (PWM), is bridged, so that the switch-on pulse acts in its entirety. After expiration of the switch-on pulse, the field-effect transistor FET 1 blocks, and now only the PWM of the field-effect transistor FET 2 acts on the coil. With this circuit arrangement, the holding power can be reduced to freely selectable values.
  • PWM pulse width modulation
  • Fig. 1 a circuit diagram of an inventive energy-efficient coil drive in a contactor.
  • Fig. 1 shows a circuit diagram of an inventive energy-efficient coil drive in a contactor.
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil drive has connections A1 / A2 1, 2 which, after the application of the control voltage, drive a coil 3 by means of switch-on pulse 4 in its full height (maximum current).
  • This turn-on pulse 4 is generated by means of a comparator 1 5, the pulse length is variable.
  • the comparator 1 5 first outputs a high signal, then permanently low.
  • Another comparator 2 6 works as a multivibrator. By suitable wiring of the comparator 2 6, the switching frequency and also the current flow time can be adjusted by the coil 3.
  • the field effect transistor FET1 7 conductive aligned
  • the field effect transistor FET2 8 which generates the pulse width modulation (PWM) 9, bridged, so that the turn-on pulse 4 acts in full.
  • PWM pulse width modulation
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil control is characterized in that a reduction of the holding power of the contactor coil is achieved without additional heat loss.
  • This circuit can be placed in the smallest space. It is very cost effective, since only a dual comparator, 2 FETs and a few resistors or capacitors are necessary. Another big advantage is that you can do without a controller with the appropriate firmware. If required, this circuit can also be mounted as an external ballast on "standard" DC contactors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schütz mit einer energieeffizienten Spulenansteuerung, wobei die Spulenansteuerung Anschlüsse A1/A2 (1, 2) aufweist, welche nach Anlegen einer Steuerspannung eine Spule (3) mittels Einschaltimpuls (4) ansteuern, welcher von einem Komparator 1 (5) ausgebildet ist, und wobei ein Komparator 2 (6) als Multivibrator ausgebildet ist und wobei die Komparatoren 1 und 2 (5, 6) ausgangsseitig abwechselnd Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 (7, 8) ansteuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schütz mit einer energieeffizienten Spulenansteuerung.
  • Ein Schütz arbeitet üblicherweise nach dem Prinzip eines Elektromagneten. Ein Strom in der Erregerspule erzeugt einen magnetischen Fluss durch einen ferromagnetischen Kern und einen beweglich gelagerten ferromagnetischen Anker. An einem Luftspalt kommt es zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte des Schaltelements schaltet. Üblicherweise wird der Anker durch Federkraft in die Ausgangslage zurückgestellt, sobald die Spule nicht mehr erregt ist. Das Öffnen oder das Schließen des Schaltelements wird über die Erregung der Spule gesteuert. Durch das Erregen der Spule wird ein mit dem Anker verbundener beweglich gelagerter Kontakt mit einem Festkontakt des Schaltelements elektrisch leitend verbunden oder vom Festkontakt elektrisch getrennt. Im geschlossenen Zustand des Schaltelements wird die über das Schaltelement geführte Energieversorgung des Stromkreises aufrecht erhalten. Im geöffneten Zustand wird die über das Schaltelement geführte Energieversorgung des Stromkreises unterbrochen.
  • Schütze werden immer mehr mittels einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) angesteuert. Die Ausgänge dieser SPS bestehen zunehmend aus Halbleitern mit einer maximalen Strombelastung von 0,5 oder 2A bei 24V und einem DC-Strom. Auf Grund von Energie- und Ressourceneinsparungen werden Schütze immer mehr mit integrierten elektronischen Spulenansteuerungen ausgestattet. Diese haben eine sehr hohe kurzzeitige Anzugsleistung, die allerdings im Vergleich zu konventionellen Schützen konstant ist. Die Energieeinsparung findet in der Halteperiode statt.
  • Im Stand der Technik gab es bisher klassische DC-Antriebe ohne elektronische Spulenansteuerung. Diese werden kontinuierlich vom Strom durchflossen, so dass Fehlermeldungen ausgeschlossen waren.
  • Um das Problem bei elektronisch gesteuerten Antrieben zu lösen, wird häufig ein Widerstand parallel zum Schütz angeschlossen. Der Nachteil hierbei ist, dass der Strom ständig durch diese Widerstände fließt, so dass es also zum Einen zu einer Erwärmung kommt und zum Anderen zu einer unnützen Verlustleistung.
  • Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Schütz mit einer energieeffizienten elektronischen Spulenansteuerung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schütz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Schütz mit einer energieeffizienten Spulenansteuerung gelöst, wobei die Spulenansteuerung Anschlüsse A1/A2 aufweist, welche nach Anlegen einer Steuerspannung eine Spule mittels Einschaltimpuls ansteuern, welcher von einem Komparator 1 ausgebildet ist und wobei ein Komparator 2 als Multivibrator ausgebildet ist und wobei die Komparatoren 1 und 2 ausgangsseitig abwechselnd Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 ansteuern.
  • Nach dem Anlegen der Steuerspannung an die Schützanschlüsse A1/A2 wird die Magnetspule mittels Einschaltimpuls in voller Höhe (maximaler Strom) angesteuert. Dieser Einschaltimpuls wird mittels Komparator 1 erzeugt, die Impulslänge ist dabei variabel. Dazu wird vom Komparator 1 zuerst ein High- Signal Ausgegeben und im Anschluss dauerhaft LOW. Der Komparator 2 arbeitet als Multivibrator. Durch geeignete Beschaltung des Komparators kann die Schaltfrequenz und auch die Stromflussdauer durch die Schützspule eingestellt werden. Die beiden Komparatorausgänge steuern Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 (MOSFETs) an, die im Spulenstromkreis parallel geschaltet sind. Ist der FET 1 leitend, wird der FET 2 (der die PWM erzeugt) überbrückt, der Einschaltimpuls wirkt in voller Höhe. Nach Ablauf des Einschaltimpulses sperrt FET 1, es wirkt nun ausschließlich die PWM auf die Spule. Mit dieser Schaltungsanordnung lässt sich die Halteleistung auf frei wählbare Werte reduzieren.
  • Mit dieser Schaltung kann eine grundlegende Anforderung an DC- Schütze umgesetzt werden. Die Anforderung besteht in der Reduzierung der Halteleistung der Schützspule ohne zusätzliche Verlustwärme. Diese Schaltung lässt sich auf kleinstem Raum platzieren. Sie ist sehr kostengünstig, da nur ein Zweifach-Komparator, 2 FETs und wenige Widerstände bzw. Kondensatoren notwendig sind. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass auf einen Controller mit entsprechender Firmware verzichtet werden kann. Diese Schaltung kann bei Bedarf auch als externes Vorschaltelement an Standard- DC- Schütze angebaut werden.
  • In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass der mittels Komparator 1 erzeugte Einschaltimpuls variabel ist.
  • Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann darin bestehen, dass vom Komparator 1 zur Erzeugung eines Schaltimpulses zuerst ein High-Signal und anschließend dauerhaft ein Low-Signal erzeugt wird.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Beschaltung am Komparator 2 derart ausgebildet ist, dass Schaltfrequenz und Stromflussdauer durch die Magnetspule einstellbar ist.
  • Es ist außerdem vorteilhaft, wenn mindestens ein Feldeffekttransistor FET1 oder FET2 als MOSFET ausgebildet ist.
  • In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 im Spulenstromkreis parallel geschaltet sind.
  • Eine erfindungsgemäße Weiterführung dieses Konzepts kann darin bestehen, dass bei Ansteuerung des Feldeffekttransistors 1 der Feldeffekttransistor 2 überbrückt geschaltet ist.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass nach Ablauf des Einschaltimpulses der Feldtransistoreffekt FET1 gesperrt ist.
  • Es ist außerdem vorteilhaft, wenn nach Ablauf des Einschaltimpulses ausschließlich eine Pulsweitenmodulation auf die Spule wirkt.
  • In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Spulenansteuerung mit einer frei wählbaren Halteleistung ausgebildet ist.
  • In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass diese Spulenansteuerung in einem externen Vorschaltelement an einen Standard- DC- Schütz ausgebildet ist.
  • Der erfindungsgemäße Schütz mit energieeffizienter Spulenansteuerung weist Anschlüsse A1/A2 auf, welche nach dem Anlegen der Steuerspannung die Spule mittels Einschaltimpuls in voller Höhe (maximaler Strom) ansteuern. Dieser Einschaltimpuls wird mittels eines Komparators 1 erzeugt, die Impulslänge ist dabei variabel. Dazu wird vom Komparator 1 zuerst ein High-Signal ausgegeben und anschließend dauerhaft LOW. Ein weiterer Komparator 2 arbeitet als Multivibrator. Durch geeignete Beschaltung des Komparators 2 kann die Schaltfrequenz und ebenso die Stromflussdauer durch die Spule eingestellt werden. Ausgangsseitig steuern die beiden Komparatoren 1 und 2 Feldeffekttransistoren FET1 und FET2, insbesondere MOSFETs an, welche vorzugsweise im Spulenstromkreis parallel geschaltet sind. Ist der Feldeffekttransistor FET 1 leitend, wird der Feldeffekttransistor FET 2, welcher die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt, überbrückt, so dass der Einschaltimpuls in voller Höhe wirkt. Nach Ablauf des Einschaltimpulses sperrt der Feldeffekttransistor FET 1, es wirkt nun ausschließlich die PWM des Feldeffekttransistors FET 2 auf die Spule. Mit dieser Schaltungsanordnung lässt sich die Halteleistung auf frei wählbare Werte reduzieren.
  • Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen energieeffizienten Spulenansteuerung in einem Schütz.
  • Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen energieeffizienten Spulenansteuerung in einem Schütz. Der erfindungsgemäße Schütz mit energieeffizienter Spulenansteuerung weist Anschlüsse A1/A2 1, 2 auf, welche nach dem Anlegen der Steuerspannung eine Spule 3 mittels Einschaltimpuls 4 in voller Höhe (maximaler Strom) ansteuern. Dieser Einschaltimpuls 4 wird mittels eines Komparators 1 5 erzeugt, die Impulslänge ist dabei variabel. Dazu wird vom Komparator 1 5 zuerst ein High- Signal ausgegeben, danach dauerhaft LOW. Ein weiterer Komparator 2 6 arbeitet als Multivibrator. Durch geeignete Beschaltung des Komparators 2 6 kann die Schaltfrequenz und ebenso die Stromflussdauer durch die Spule 3 eingestellt werden. Ausgangsseitig steuern die beiden Komparatoren 1 und 2 5, 6 Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 7, 8, insbesondere MOSFETs an, welche vorzugsweise im Spulenstromkreis parallel geschaltet sind. Ist der Feldeffekttransistor FET1 7 leitend ausgerichtet, wird der Feldeffekttransistor FET2 8, welcher die Pulsweitenmodulation (PWM) 9 erzeugt, überbrückt, so dass der Einschaltimpuls 4 in voller Höhe wirkt. Nach Ablauf des Einschaltimpulses 4 sperrt der Feldeffekttransistor FET1 6, es wirkt nun ausschließlich die PWM 9 des Feldeffekttransistors FET2 7 auf die Spule. Mit dieser Schaltungsanordnung lässt sich die Halteleistung auf frei wählbare Werte reduzieren.
  • Der erfindungsgemäße Schütz mit energieeffizienter Spulenansteuerung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reduzierung der Halteleistung der Schützspule ohne zusätzliche Verlustwärme erreicht wird. Diese Schaltung lässt sich auf kleinstem Raum platzieren. Sie ist sehr kostengünstig, da nur ein Zweifach-Komparator, 2 FETs und wenige Widerstände bzw. Kondensatoren notwendig sind. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass auf einen Controller mit entsprechender Firmware verzichtet werden kann. Diese Schaltung kann bei Bedarf auch als externes Vorschaltelement an "Standard"- DC- Schütze angebaut werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anschluss A1
    2
    Anschluss A2
    3
    Spule
    4
    Einschaltimpuls
    5
    Komparator 1
    6
    Komparator 2
    7
    Feldeffekttransistor FET1
    8
    Feldeffekttransistor FET2
    9
    Pulsweitenmodulation

Claims (11)

  1. Schütz mit einer energieeffizienten Spulenansteuerung, wobei die Spulenansteuerung Anschlüsse A1/A2 (1, 2) aufweist, welche nach Anlegen einer Steuerspannung eine Spule (3) mittels Einschaltimpuls (4) ansteuern, welcher von einem Komparator 1 (5) ausgebildet ist und wobei ein Komparator 2 (6) als Multivibrator ausgebildet ist und wobei die Komparatoren 1 und 2 (5, 6) ausgangsseitig abwechselnd Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 (7, 8) ansteuern.
  2. Schütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der mittels Komparator 1 (5) erzeugte Einschaltimpuls (4) variabel ist.
  3. Schütz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vom Komparator 1 (5) zur Erzeugung eines Einschaltimpulses (4) zuerst ein High-Signal und anschließend dauerhaft ein Low-Signal erzeugt wird.
  4. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltung am Komparator 2 (6) derart ausgebildet ist, dass Schaltfrequenz und Stromflussdauer durch die Spule (3) einstellbar ist.
  5. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Feldeffekttransistor FET1 oder FET2 (7, 8) als MOSFET ausgebildet sind.
  6. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 (7, 8) im Spulenstromkreis parallel geschaltet sind.
  7. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansteuerung des Feldeffekttransistors 1 (7) der Feldeffekttransistor 2 (8) überbrückt geschaltet ist.
  8. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf des Einschaltimpulses (4) der Feldtransistoreffekt 1 (7) gesperrt ist.
  9. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf des Einschaltimpulses (4) ausschließlich eine Pulsweitenmodulation (9) auf die Spule wirkt.
  10. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenansteuerung mit einer frei wählbaren Halteleistung ausgebildet ist.
  11. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spulenansteuerung in einem externen Vorschaltelement an einen Standard- DC- Schütz ausgebildet ist.
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