EP3544042B1 - Schütz mit einer energieeffizienten spulenansteuerung - Google Patents

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EP3544042B1 EP18163601.0A EP18163601A EP3544042B1 EP 3544042 B1 EP3544042 B1 EP 3544042B1 EP 18163601 A EP18163601 A EP 18163601A EP 3544042 B1 EP3544042 B1 EP 3544042B1
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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 control.
  • 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.
  • a force is exerted on the armature at an air gap, causing it to switch one or more contacts of the switching element.
  • the armature is returned to its starting position by spring force as soon as the coil is no longer energized.
  • the opening or closing of the switching element is controlled via the excitation of the coil.
  • a movably mounted contact connected to the armature is connected in an electrically conductive manner to a fixed contact of the switching element or is electrically separated from the fixed contact.
  • the closed state of the switching element the power supply of the circuit carried via the switching element is maintained.
  • the open state the power supply to the circuit via the switching element is interrupted.
  • PLC programmable logic controller
  • the US 7 315 440 B1 describes a contactor with an energy-efficient coil control, the coil control having connections which, after applying a control voltage, control a coil by means of a switch-on pulse, which is formed by a comparator, and the comparator controls a field effect transistor on the output side.
  • the DE 10 2008 031 728 A1 describes a solenoid valve drive circuit in the form of a current detection circuit which generates a pulse signal Sd on the basis of a voltage Vd corresponding to a current I flowing through a solenoid and feeds the pulse signal Sd back to a PWM circuit of a holder controller.
  • the PWM circuit generates a pulse signal Sr with a specified duty cycle on the basis of a comparison between the fed back pulse signal Sd and a voltage value corresponding to a first current value or a second current value, and supplies the pulse signal Sr to a pulse supply unit.
  • the pulse supply unit supplies the pulse signal Sr as a first Pulse signal S1 and / or a second pulse signal S2 to a gate connection G of a MOSFET.
  • the object of the present invention is to create a contactor with an energy-efficient electronic coil control.
  • this object is achieved by a contactor with an energy-efficient coil control, the coil control having connections A1 / A2 which, after applying a control voltage, control a coil by means of a switch-on pulse, which is formed by a comparator 1 and a comparator 2 is designed as a multivibrator and the comparators 1 and 2 alternately driving field effect transistors FET1 and FET2 on the output side.
  • the solenoid coil is activated in full (maximum current) by means of a switch-on pulse.
  • 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 permanently LOW.
  • the comparator 2 works as a multivibrator.
  • the switching frequency and also the duration of the current flow through the contactor coil can be set by suitable wiring of the comparator.
  • the two comparator outputs control field effect transistors FET1 and FET2 (MOSFETs), which are connected in parallel in the coil circuit. If FET 1 is conductive, FET 2 (which generates the PWM) is bridged and the switch-on pulse is effective in full. After the switch-on pulse has expired, FET 1 blocks, now only the PWM acts on the coil. With this circuit arrangement the holding power can be reduced to freely selectable values.
  • a basic requirement for DC contactors can be implemented with this circuit.
  • the requirement is to reduce the holding power of the contactor coil without additional heat loss.
  • This circuit can be placed in the smallest of spaces. It is very inexpensive because only a double comparator, 2 FETs and a few resistors or capacitors are required. Another big advantage is that there is no need for a controller with the corresponding firmware. If required, this circuit can also be installed as an external ballast element on standard DC contactors.
  • the switch-on pulse generated by means of the comparator 1 is variable.
  • a continuation of this concept according to the invention can consist in that the comparator 1 first generates a high signal and then permanently generates a low signal in order to generate a switching pulse.
  • the circuitry on the comparator 2 is designed in such a way that the switching frequency and duration of current flow through the magnetic coil can be set.
  • 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.
  • the field effect transistor 2 when the field effect transistor 1 is activated, the field effect transistor 2 is switched in a bridged manner.
  • the field transistor effect FET1 is blocked after the switch-on pulse has elapsed.
  • the coil control is designed with a freely selectable holding power.
  • this coil control is designed in an external ballast element on a standard DC contactor.
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil control has connections A1 / A2 which, after the control voltage has been applied, control the coil to the full extent (maximum current) by means of a switch-on pulse.
  • 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.
  • the switching frequency and also the duration of the current flow through the coil can be set by suitable wiring of the comparator 2.
  • 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 bypassed, so that the switch-on pulse is fully effective. After the switch-on pulse has elapsed, the field effect transistor FET 1 blocks; only the PWM of the field effect transistor FET 2 now acts on the Kitchen sink. With this circuit arrangement, the holding power can be reduced to freely selectable values.
  • PWM pulse width modulation
  • Fig. 1 shows a circuit diagram of an energy-efficient coil control according to the invention in a contactor.
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil control has connections A1 / A2 1, 2 which, after the control voltage has been applied, control a coil 3 by means of a switch-on pulse 4 in full (maximum current).
  • This switch-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 a permanent LOW.
  • Another comparator 26 works as a multivibrator.
  • the switching frequency and also the duration of the current flow through the coil 3 can be set by suitable wiring of the comparator 26.
  • the two comparators 1 and 2 5, 6 control field effect transistors FET1 and FET2 7, 8, in particular MOSFETs, which are preferably connected in parallel in the coil circuit. If the field effect transistor FET1 7 is oriented to be conductive, the field effect transistor FET2 8, which generates the pulse width modulation (PWM) 9, is bridged, so that the switch-on pulse 4 acts in full. After the switch-on pulse 4 has elapsed, the field effect transistor FET1 6 blocks, and now only the PWM 9 of the field effect transistor FET2 7 acts on the coil. With this circuit arrangement, the holding power can be reduced to freely selectable values.
  • PWM pulse width modulation
  • the contactor according to the invention with energy-efficient coil control is characterized in that the holding power of the contactor coil is reduced without additional heat loss.
  • This circuit can be placed in the smallest of spaces. It is very inexpensive because only a double comparator, 2 FETs and a few resistors or capacitors are required. Another big advantage is that there is no need for a controller with the corresponding firmware. If required, this circuit can also be attached to "standard" DC contactors as an external series element.

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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.
  • Die US 7 315 440 B1 beschreibt einen Schütz mit einer energieeffizienten Spulenansteuerung, wobei die Spulenansteuerung Anschlüsse aufweist, welche nach Anlegen einer Steuerspannung eine Spule mittels Einschaltimpuls ansteuern, welcher von einem Komparator ausgebildet ist, und wobei der Komparator ausgangsseitig einen Feldeffekttransistor ansteuert.
  • Aus der DE 10 2015 101778 A1 geht eine Spulenansteuerung hervor, in der ein Monoflop und ein PWM Impulsgenerator jeweils einen Feldeffekttransistor ansteuern.
  • Die DE 10 2008 031 728 A1 beschreibt eine Elektromagnetventilantriebsschaltung in Form einer Stromdetektionsschaltung, welche ein Pulssignal Sd auf der Basis einer Spannung Vd generiert, die einem durch eine Magnetspule fließenden Strom I entspricht, und das Pulssignal Sd zurück zu einer PWM-Schaltung einer Sehaltersteuerung führt. Die PWM-Schaltung generiert ein Pulssignal Sr mit einer festgelegten relativen Einschaltdauer auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem rückgeführten Pulssignal Sd und einem Spannungswert, der einem ersten Stromwert oder einem zweiten Stromwert entspricht, und liefert das Pulssignal Sr an eine Pulszufuhreinheit. Die Pulszufuhreinheit liefert das Pulssignal Sr als ein erstes Pulssignal S1 und/oder ein zweites Pulssignal S2 an einen Gate-Anschluss G eines MOSFET.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß wird bei Ansteuerung des Feldeffekttransistors 1 der Feldeffekttransistor 2 überbrückt geschaltet.
  • Erfindungsgemäß ist nach Ablauf des Einschaltimpulses der Feldtransistoreffekt FET1 gesperrt.
  • Es entspricht der Erfindung, dass 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 (8)

  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, dadurch gekennzeichnet, dass die Komparatoren 1 und 2 (5, 6) ausgangsseitig abwechselnd Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 (7, 8) ansteuern, wobei bei einer leitenden Ausrichtung des Feldeffekttransistors FET1 (7) der Feldeffekttransistor FET2 (8) welcher eine Pulsweitenmodulation (PWM) (9) erzeugt, überbrückt wird, so dass ein Einschaltimpuls (4) in voller Höhe wirkt und wobei nach Ablauf des Einschaltimpulses (4) der Feldeffekttransistor FET1 (7) sperrt, wobei nun ausschließlich die PWM (9) des Fledeffekttransistors FET2 (8) auf die Spule wirkt.
  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 die Spulenansteuerung mit einer frei wählbaren Halteleistung ausgebildet ist.
  8. Schütz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spulenansteuerung in einem externen Vorschaltelement an einen Standard- DC- Schütz ausgebildet ist.
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