EP3605579A1 - Verfahren zum nullpunktschalten eines relais - Google Patents

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EP3605579A1
EP3605579A1 EP19178316.6A EP19178316A EP3605579A1 EP 3605579 A1 EP3605579 A1 EP 3605579A1 EP 19178316 A EP19178316 A EP 19178316A EP 3605579 A1 EP3605579 A1 EP 3605579A1
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EP
European Patent Office
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relay
voltage
switching
inertia
switch
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EP19178316.6A
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Pierre Marks
Christian Hopp
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Insta GmbH
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    • H01H2047/009—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current with self learning features, e.g. measuring the attracting current for a relay and memorising it

Definitions

  • the invention relates to a method for switching the zero point of a relay switching an AC-powered load. Furthermore, the invention relates to a relay circuit, in particular for carrying out the aforementioned method, with a relay provided for switching an AC-fed load and with control electronics for controlling the relay.
  • Relay circuits and methods for switching a relay to zero are previously known. With the previously known methods for zero-point switching of a relay switching an AC-powered load, one would like to extend the service life of the relay with regard to the number of its switching cycles by switching the relay contacts in or in the region of the zero crossing of the AC voltage. This prevents switching sparks from occurring. Switching sparks are arcs that form between the switch contacts when they are not closed and as long as their distance is not sufficiently large. Such arcs remove material from the switch contacts. The higher the voltage or the current at the time of switching, the more intense the formation of such a switching arc. For this reason, methods and relay circuits have been developed with which such a relay is switched in the region of the zero crossing of the AC voltage.
  • Such a relay circuit is known, for example, from DE 297 01 352 U1 , These and other previously known methods have in common that the switching inertia during the switching-on process is determined in a first step.
  • the switching inertia of the relay is the period of time that is required by the relay until the relay contacts are actually closed after receiving a switch-on control signal.
  • This switching inertia is due to the system and is due to the necessary structure of the magnetic field due to the energization of the relay coil and the distance to be covered by the movable switching contacts.
  • the movable relay contacts work against the force of a return spring, through which the desired movement of the movable switch contacts is braked and thus slowed down.
  • the Switching inertia of such a relay is therefore dependent on its design and can be, for example, between 3 and 10 ms.
  • the relay is then controlled by its control electronics in such a way that the switch-on time is before the next expected zero crossing of the AC voltage by the duration of the switching inertia.
  • This value is basically a size specified by the manufacturer.
  • the switching inertia can also be determined automatically by the relay circuit, as can a change in the switching inertia as a result of, for example, aging of the relay. For this purpose, it is proposed in the prior art that the occurrence of a switching spark is optically determined and, when such a switching spark is detected, the relay is triggered in its next actuation with a switching inertia shifted by a fraction of a period. Alternatively, the current profile can be observed.
  • the invention is based on the object of proposing an initially mentioned method for zero-point switching of an AC-powered load switching relay and a relay circuit, with which or with which not only the switching inertia of a relay regardless of the type of this switched load is possible, but which relay circuit is also simple and therefore inexpensive.
  • the aspect of the task relating to the relay circuit is achieved by a generic relay circuit mentioned at the outset, in which the relay circuit has a voltage measuring device for detecting the voltage across the relay contacts.
  • the switching inertia of the relay is determined via the voltage that can be detected via the relay contacts. If the relay contacts are open, a voltage can be measured between them. If the relay contacts are closed, no voltage can be detected. Since there is no voltage across the relay contacts when the relay contacts are closed is measured, this method can be used regardless of the type of load switched by the relay to effectively determine the switching inertia of the relay. In addition, voltage measurement is possible with much simpler means than current measurement. While a voltage measurement is quasi powerless, with a current measurement, the larger the current, the more power has to be converted in the measuring device. As a result, the circuit structure of the relay circuit, when the voltage across the switching contacts is detected in order to determine the switching inertia of the relay, is less complex than a circuit which is required for a current measurement.
  • the state of the relay contact is determined by continuously differentiating the voltage across the relay contacts, which is also referred to below as the contact voltage. If a certain slope is reached, this defines the relay contact closed state or, in the case of determining the switching inertia when switching off, the relay contact open state. In this way, inaccuracies with regard to the transition contact can be compensated in a particularly simple manner, especially during the switch-on process, for example by bouncing the contacts and the like. This improves the accuracy of the time measurement between the transmission of the control signal to the relay and the definition of the relay contact closed state.
  • the relay switches an AC voltage. If a differentiation is made via this voltage curve, it follows that the switching state change takes place when the determined slope is zero. However, this can correspond to the lower extremum, the upper extremum or the closed switching contact.
  • an absolute voltage range is additionally defined in this embodiment, in which the voltage must lie so that a change in state is registered. The state when the relay contact is closed is in this range, but not the upper or lower extremum. It is thus avoided that a point in time is assumed as the time of measurement at which there is actually only one extreme of the AC voltage.
  • the voltage profile of the voltage present at the relay is monitored, specifically to determine the point in time of the next expected zero crossing of the AC voltage present.
  • the measured time period defining the switching inertia between the time when the relay is activated and the time when the relay contacts are closed or opened is subtracted from the expected zero-crossing time at the activation time for activating the relay.
  • the relay is therefore not activated only at the time when the AC voltage crosses zero, but at an earlier time which corresponds to the time of the expected zero crossing minus the switching inertia of the relay. In this way, the relay switches in a very narrow range around the zero crossing and thus at a time in the AC voltage curve at which there is no or only a very low voltage and thus the risk of switching sparks or switching arcs being effectively prevented.
  • the switching inertia during the switch-off process is generally lower than that during the switch-on process, which is due to the fact that the switch-off is effected via the restoring force of one or more spring elements and, unlike the switch-on process, a magnetic field does not have to be built up first.
  • the voltage profile of the voltage applied to the relay can be monitored, as is provided in one exemplary embodiment, by a voltage divider connecting the phase to the neutral conductor.
  • the hardware required for this is low.
  • An embodiment in which the control electronics themselves have zero-crossing detection is also entirely possible. This can of course also be used to monitor the voltage curve of the voltage applied to the relay.
  • the averaged value then represents the switching inertia to be taken into account when activating the relay.
  • the determined switching inertia can be low-pass filtered.
  • the switching inertia can easily be determined during the switch-on process or also during the switch-off process for each switching process. It goes without saying that corresponding results can also be obtained if the switching inertia determinations are not carried out with every switching operation but with every nth switching operation. This measure automatically adapts a switching inertia of the relay that changes, for example, due to aging. No switching inertia needs to be specified by the manufacturer if the described method is carried out at least in a first operating phase of the relay.
  • the switching inertia is detected with sufficient accuracy after just a few switching operations in order to be able to guarantee the desired zero switching in a narrow area around the zero crossing.
  • a relay circuit 1 comprises a relay 2 which is controlled by control electronics 3 which are designed as microcontrollers in the exemplary embodiment shown.
  • the control electronics 3 has a control input 4, to which a control signal is present when the relay 2 is to be switched.
  • Relay 2 is switched on to switch phase 5 of an AC circuit into the circuit.
  • the relay 2 switches an AC-powered load, which is an LED light 6 in the illustrated embodiment.
  • the neutral conductor is in Figure 1 identified by reference number 7.
  • the phase 5 and the neutral conductor 7 are connected to an AC voltage source 8, which in the exemplary embodiment shown is the mains voltage.
  • the relay 2 has a fixed relay contact 9 and a movable relay contact 10.
  • the relay 2 is shown in its open position, in which the two relay contacts 9, 10 are spaced apart and the LED light 6 is not energized.
  • a voltage measuring device 11 Connected to the relay contacts 9, 10 is a voltage measuring device 11, the signal line 12 of which is connected to a first signal input of the control electronics 3.
  • the voltage is measured via the relay contacts 9, 10 in order to determine the respective switching inertia via the changing voltage when the relay 2 is switched on and also during the switching off process, that is to say: the time between receipt of a switch-on control signal at the control input 4 and the state that the relay contacts 9, 10 are closed is determined.
  • the switching inertia of relay 2 when switching off is determined on the basis of the closed relay contacts 9, 10.
  • the switching inertia of relay 2 can be determined with each load and in particular also with inductive loads with relay circuit 1.
  • An electronic memory 13 is connected to the control electronics 3, in which the results of the switching inertia measurements are stored.
  • the memory 13 is organized in the manner of a ring or register memory, so that a certain number of switching inertia measurements can be stored therein.
  • the relay circuit 1 also has a voltage monitoring device 14, which is designed as a voltage divider in the exemplary embodiment shown.
  • the voltage monitoring device 14 is connected between the phase 5 and the neutral conductor 7 or connects the phase 5 to the neutral conductor 7. Via the voltage monitoring device 14 the course of the mains voltage present is monitored with respect to the zero crossings of the AC voltage.
  • the signal line 15 of the voltage monitoring device 14 is connected to a second signal input of the control electronics 3.
  • relay 2 With relay circuit 1, relay 2 can be switched to zero. This means that the relay contacts 9, 10 have reached their closed state or a state reflecting this state during a switch-on process in the region of the zero crossing of an AC voltage half-wave. When switching off, the relay contacts 9, 10 are opened in the area of the zero crossing.
  • the switching inertia of relay 2 is determined in the first step when switching on. In the exemplary embodiment shown, that time is recorded via the control device 3 that is required so that the relay contacts 9, 10 are closed after the control input 4 has been subjected to a corresponding control signal. If a switch-on control signal is present at the control input 4, the time measurement begins. At the same time, the voltage across the relay contacts 9, 10 is measured via the voltage measuring device 11. In the exemplary embodiment shown, the voltage is continuously differentiated, namely until it has reached a predefined slope. Has the Differentiation reached a certain slope, the voltage has reached an expected or predefined state reflecting the closed state. The expected voltage state is selected so that the relay contacts 9, 10 are then closed.
  • the expected voltage state is assumed to be 0V in the exemplary embodiment shown.
  • the time measurement is ended when the predetermined slope has been reached by differentiating the contact voltage (voltage via the relay contacts 9, 10). This determined time period corresponds to the switching inertia of relay 2.
  • the AC voltage is monitored via the voltage monitoring device 14, with regard to the time of the expected zero crossings.
  • the relay 2 When switching on the next time, the relay 2 is activated by the control electronics 3 at a time for switching on which corresponds to the time of the next expected zero crossing of the AC voltage minus the previously determined switching inertia of the relay 2.
  • this activation process is in Figure 2 identified with t on2 and the closed state of relay 2 with t switch2 .
  • the time t switch2 is immediately adjacent to the actual zero crossing of the AC half-wave shown.
  • the switching inertia of the relay 2 is not constant within certain limits, also due to changing environmental conditions, such as temperature or the like. For this reason, several switching inertia measurements are carried out to determine the switching inertia during the switch-on process and are stored in the memory 13. The current number of switching inertia measurements from the same number in each case becomes the current one Averaged, which is then used for the next switch-on process to determine the switch-on time.
  • the relay circuit 1 works adaptively with regard to a changing switching behavior, be it due to changing environmental conditions, due to aging or otherwise.
  • the switching inertia during a switch-off process is determined in an analogous manner.
  • the improvement described above during the switch-on process already leads to a significant extension of the service life of the relay 2 or its relay contacts 9, 10.
  • the tolerances in the switching inertia during the switch-off process are smaller, which is also due to the fact that no magnetic field has to be built up when switching off. Consequently, the variance of the switching inertia when switching off is typically significantly less than when switching on. It is therefore not absolutely necessary to determine the switching inertia when switching off in the manner described. When switching off, you can therefore fall back on a switching inertia that is used as a constant variable in the process. Changes due to aging can be reflected by changing this constant size.
  • this determined time difference between the contact-closed state t switch2 and the actual zero point can be included in the determination of the switching inertia. In this way it is possible to place the relay contact closed state as close as possible to the actual zero crossing.

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Abstract

Ein Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais 2 umfasst folgende Schritte:
- Bestimmen der Schaltträgheit des Relais 2 beim Einschaltvorgang und/oder beim Ausschaltvorgang durch Erfassen der Spannung über die Relaiskontakte 9, 10 zwischen dem Zeitpunkt seiner Ein- bzw. Ausschaltansteuerung und dem Zeitpunkt der geschlossenen bzw. geöffneten Relaiskontakte 9, 10,
- Überwachen des Spannungsverlaufes der durch das Relais 2 zu schaltenden Spannung zum Ermitteln des Zeitpunktes des nächsten erwarteten Nulldurchganges und
- Ansteuern des Relais 2 zum Schließen bzw. Öffnen der Relaiskontakte 9, 10 zu einem Zeitpunkt t ein2, der dem Zeitpunkt des erwarteten Nulldurchganges abzüglich der Einschaltträgheit bzw. der Ausschaltträgheit des Relais 2 entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais. Ferner betrifft die Erfindung eine Relaisschaltung, insbesondere zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens, mit einem zum Schalten einer wechselspannungsgespeisten Last vorgesehenen Relais und mit einer Steuerelektronik zum Ansteuern des Relais.
  • Relaisschaltungen und Verfahren zum Nullpunktschalten eines Relais sind vorbekannt. Mit den vorbekannten Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais möchte man die Lebensdauer des Relais hinsichtlich der Anzahl seiner Schaltspiele verlängern, indem die Relaiskontakte im oder im Bereich des Nulldurchganges der Wechselspannung geschaltet werden. Hierdurch wird eine Entstehung von Schaltfunken vermieden. Schaltfunken sind Lichtbögen, die sich zwischen den Schaltkontakten ausbilden, wenn diese nicht geschlossen sind und solange deren Abstand noch nicht hinreichend groß ist. Derartige Lichtbögen tragen Material von den Schaltkontakten ab. Je höher die Spannung bzw. der Strom im Schaltzeitpunkt ist, je intensiver ist die Ausbildung eines solchen Schaltlichtbogens. Aus diesem Grund sind Verfahren und Relaisschaltungen entwickelt worden, mit denen ein solches Relais im Bereich des Nulldurchganges der Wechselspannung geschaltet wird. Vorbekannt ist eine solche Relaisschaltung beispielsweise aus DE 297 01 352 U1 . Diesen und anderen vorbekannten Verfahren ist gemein, dass in einem ersten Schritt die Schaltträgheit beim Einschaltvorgang bestimmt wird. Die Schaltträgheit des Relais ist die Zeitspanne, die von dem Relais benötigt wird, bis nach Empfang eines Einschaltansteuersignals die Relaiskontakte tatsächlich geschlossen sind. Diese Schaltträgheit ist systembedingt und liegt in dem notwendigen Aufbau des Magnetfeldes durch die Bestromung der Relaisspule und den durch die beweglichen Schaltkontakte zurückzulegenden Weg begründet. Beim Einschaltvorgang arbeiten die beweglichen Relaiskontakte gegen die Kraft einer Rückstellfeder, durch die die gewünschte Bewegung der beweglichen Schaltkontakte gebremst und damit verlangsamt wird. Die Schaltträgheit eines solchen Relais ist somit abhängig von seiner Auslegung und kann beispielsweise zwischen 3 - 10 ms betragen.
  • Mit der ermittelten Schaltträgheit wird das Relais durch seine Steuerelektronik dann so angesteuert, dass der Einschaltzeitpunkt zeitlich um die Zeitdauer der Schaltträgheit vor dem nächsten erwarteten Nulldurchgang der Wechselspannung liegt. Bei diesem Wert handelt es sich grundsätzlich um eine herstellerseitig vorgegebene Größe. Die Schaltträgheit kann auch durch die Relaisschaltung selbsttätig ermittelt werden, ebenso wie eine Änderung der Schaltträgheit in Folge beispielsweise einer Alterung des Relais. Vorgeschlagen wird im Stand der Technik zu diesem Zweck, dass das Auftreten eines Schaltfunkens optisch bestimmt wird und bei Detektion eines solchen Schaltfunkens das Relais in seiner nächsten Ansteuerung mit einer um einen Bruchteil einer Periode verschobenen Schaltträgheit angesteuert wird. Alternativ kann der Stromverlauf beobachtet werden.
  • Ein weiteres Verfahren zum Nullpunktschalten eines Relais sowie eine entsprechende Relaisschaltung sind aus EP 0 997 921 A1 bekannt. Auch bei diesem Verfahren und dieser Relaisschaltung wird der Stromfluss über die Last für die Bestimmung der Schaltträgheit genutzt.
  • Auch wenn mit diesen vorbekannten Verfahren und Relaisschaltungen das Nullpunktschalten eines Relais mit zufriedenstellenden Ergebnissen möglich ist, ist der schaltungstechnische Aufwand für die Bestimmung bzw. Ermittlung der Schaltträgheit aufwendig. Zudem eignen sich diese vorbekannten Verfahren nicht, wenn es sich bei der Last um eine kapazitive oder induktive Last handelt, da sich beispielsweise im Falle einer induktiven Last der Stromfluss erst aufbauen muss, bevor sich dieser im Stromfluss bemerkbar macht. Infolgedessen ist die Bestimmung der Schaltträgheit durch den Aufbau der Induktivität der Last überlagert. Zwar können zur Kompensation in die Relaisansteuerung entsprechende Verzögerungsdaten eingespeist werden. Problematisch wird dieses jedoch dann, wenn eine erste Last durch eine zweite Last mit einer anderen Induktivität ersetzt wird.
  • Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein eingangs genanntes Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais sowie eine Relaisschaltung vorzuschlagen, mit dem bzw. mit der nicht nur die Schaltträgheit eines Relais unabhängig von der Art der von dieser geschalteten Last möglich ist, sondern welche Relaisschaltung zudem einfach und damit kostengünstig aufgebaut ist.
  • Gelöst wird der verfahrensbezogene Aspekt der vorstehend genannten Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • Bestimmen der Schaltträgheit des Relais beim Einschaltvorgang und/oder beim Ausschaltvorgang durch Erfassen der Spannung über die Relaiskontakte zwischen dem Zeitpunkt seiner Ein- bzw. Ausschaltansteuerung und dem Zeitpunkt der geschlossenen bzw. geöffneten Relaiskontakte,
    • Überwachen des Spannungsverlaufes der durch das Relais zu schaltenden Spannung zum Ermitteln des Zeitpunktes des nächsten erwarteten Nulldurchganges und
    • Ansteuern des Relais zum Schließen bzw. Öffnen der Relaiskontakte zu einem Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt des erwarteten Nulldurchganges abzüglich der Einschaltträgheit bzw. der Ausschaltträgheit des Relais entspricht.
  • Der auf die Relaisschaltung bezogene Aufgabenaspekt wird durch eine eingangs genannte, gattungsgemäße Relaisschaltung gelöst, bei der die Relaisschaltung eine Spannungsmesseinrichtung zum Erfassen der Spannung über die Relaiskontakte aufweist.
  • Bei diesem Verfahren zum Nullpunktschalten eines Relais - gleiches gilt für die Relaisschaltung - wird die Schaltträgheit des Relais über die über die Relaiskontakte erfassbare Spannung ermittelt. Sind die Relaiskontakte geöffnet, ist zwischen diesen eine Spannung messbar. Sind die Relaiskontakte geschlossen, ist keine Spannung erfassbar. Da bei geschlossenen Relaiskontakten keine Spannung über die Relaiskontakte gemessen wird, kann dieses Verfahren unabhängig von der Art der durch das Relais geschalteten Last zur effektiven Bestimmung der Schaltträgheit des Relais genutzt werden. Überdies ist eine Spannungsmessung mit sehr viel einfacheren Mitteln möglich als eine Strommessung. Während eine Spannungsmessung quasi leistungslos ist, muss bei einer Strommessung, je größer der Strom ist, desto mehr Leistung in der Messeinrichtung umgesetzt werden. Dadurch ist der Schaltungsaufbau der Relaisschaltung, wenn zum Bestimmen der Schaltträgheit des Relais die Spannung über die Schaltkontakte erfasst wird, weniger aufwendig als eine Schaltung, die für eine Strommessung benötigt wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird der Zustand des Relaiskontaktes durch kontinuierliches Differenzieren der Spannung über den Relaiskontakten, die nachfolgend auch als Kontaktspannung angesprochen ist, ermittelt. Wird eine bestimmte Steigung erreicht, definiert diese den Relaiskontakt-geschlossen-Zustand oder im Falle der Bestimmung der Schaltträgheit beim Ausschaltvorgang den Relaiskontakt-offen-Zustand. Hierdurch lassen sich in besonders einfacher Art und Weise Ungenauigkeiten bezüglich des Übergangskontaktes vor allem bei dem Einschaltvorgang, etwa durch Prellen der Kontakte und dergleichen kompensieren. Dieses verbessert die Genauigkeit der Zeitmessung zwischen dem Absetzen des Ansteuersignals an das Relais und der Definition des Relaiskontakt-geschlossen-Zustandes.
  • In einer beispielhaften Ausgestaltung schaltet das Relais eine Wechselspannung. Wird über diesen Spannungsverlauf differenziert, ergibt sich, dass die Schaltzustandsänderung dann erfolgt, wenn die ermittelte Steigung null ist. Dies kann jedoch dem unteren Extremum, dem oberen Extremum oder dem geschlossenen Schaltkontakt entsprechen. Um diese Messpunkte voneinander zu unterscheiden, wird in dieser Ausgestaltung zusätzlich ein absoluter Spannungsbereich definiert, in dem die Spannung liegen muss, damit eine Zustandsänderung registriert wird. In diesem Bereich liegt dann der Zustand bei geschlossenem Relaiskontakt, jedoch nicht das obere oder untere Extremum. So wird vermieden, dass als Messzeitpunkt ein Zeitpunkt angenommen wird, bei dem tatsächlich nur ein Extremum der Wechselspannung vorliegt.
  • Bei dem Verfahren wird der Spannungsverlauf der am Relais anliegenden Spannung überwacht, und zwar zum Ermitteln des Zeitpunktes des nächsten erwarteten Nulldurchganges der anliegenden Wechselspannung. Die die Schaltträgheit definierende gemessene Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt der Ansteuerung des Relais und dem Zeitpunkt der geschlossenen bzw. geöffneten Relaiskontakte wird bei dem Ansteuerungszeitpunkt zum Ansteuern des Relais von dem erwarteten Nulldurchgangszeitpunkt abgezogen. Mithin wird das Relais nicht erst im Zeitpunkt eines Nulldurchganges der Wechselspannung angesteuert, sondern zu einem früheren Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt des erwarteten Nulldurchganges abzüglich der Schaltträgheit des Relais entspricht. Auf diese Weise schaltet das Relais in einem sehr engen Bereich um den Nulldurchgang und somit zu einem Zeitpunkt im Wechselspannungsverlauf, in dem keine oder nur eine sehr geringe Spannung anliegt und somit die Gefahr einer Entstehung von Schaltfunken bzw. Schaltlichtbögen wirksam verhindert ist.
  • Die Schaltträgheit beim Ausschaltvorgang ist regelmäßig geringer als diejenige beim Einschaltvorgang, was darin begründet liegt, dass das Ausschalten über die Rückstellkraft eines oder mehrerer Federelemente bewirkt wird und im Unterschied zum Einschaltvorgang nicht erst ein magnetisches Feld aufgebaut werden muss.
  • Die Überwachung des Spannungsverlaufes der am Relais anliegenden Spannung kann, wie dieses bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, durch einen die Phase mit dem Nullleiter verbindenden Spannungsteiler vorgenommen werden. Der hierfür benötigte Hardwareaufwand ist gering. Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei der die Steuerelektronik selbst über eine Nulldurchgangserkennung verfügt. Diese kann für die Überwachung des Spannungsverlaufes der am Relais anliegenden Spannung selbstverständlich auch genutzt werden.
  • Zur Minimierung von Messungenauigkeiten bei der Bestimmung der Schaltträgheit kann diese aus einer Anzahl von Einzelmessungen gemittelt werden. Der gemittelte Wert stellt dann die zu berücksichtigende Schaltträgheit bei der Ansteuerung des Relais dar. Diese Messungen können bei mehreren aufeinanderfolgenden Schaltvorgängen durchgeführt werden. Durchaus möglich ist es auch, dass die Messungen nicht durch mehrere unmittelbar aufeinanderfolgende Schaltvorgänge, sondern hierfür jeder x-te Schaltvorgang genutzt wird.
  • Um Messungenauigkeiten und mögliche Ausreißer von Einzelmessungen bezüglich der Schaltträgheit zu unterdrücken, kann die ermittelte Schaltträgheit tiefpassgefiltert werden.
  • Ohne Weiteres kann die Bestimmung der Schaltträgheit beim Einschaltvorgang oder auch beim Ausschaltvorgang bei jedem Schaltvorgang vorgenommen werden. Es versteht sich, dass man zu entsprechenden Ergebnissen ebenfalls gelangt, wenn die Schaltträgheitsbestimmungen nicht bei jedem Schaltvorgang, sondern bei jedem x-ten Schaltvorgang vorgenommen werden. Durch diese Maßnahme erfolgt eine automatische Adaption einer sich beispielsweise alterungsbedingt verändernden Schaltträgheit des Relais. Herstellerseitig braucht keine Schaltträgheit vorgegeben zu werden, wenn zumindest in einer ersten Betriebsphase des Relais das beschriebene Verfahren durchgeführt wird. Durch das Verfahren und die damit bewirkte Selbsteinstellung, dass der tatsächliche Relaiskontaktschaltpunkt immer näher an den Nulldurchgang der Wechselspannung angenähert wird, ist bereits nach wenigen Schaltvorgängen die Schaltträgheit hinreichend genau erfasst, um das gewünschte Nullpunktschalten in einem engen Bereich um den Nulldurchgang gewährleisten zu können.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1 : ein schematisiertes Schaltbild einer Relaisschaltung gemäß der Erfindung und
    • Fig. 2 : ein Diagramm darstellend eine Wechselspannungshalbwelle zum Erläutern der Bestimmung der Schaltträgheit.
  • Eine Relaisschaltung 1 umfasst ein Relais 2, das von einer bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Mikrocontroller ausgeführten Steuerelektronik 3 angesteuert ist. Die Steuerelektronik 3 verfügt über einen Ansteuereingang 4, an dem ein Ansteuersignal anliegt, wenn das Relais 2 geschaltet werden soll. Das Relais 2 ist zum Schalten der Phase 5 eines Wechselstromkreises in den Schaltkreis eingeschaltet. Das Relais 2 schaltet eine wechselstromgespeiste Last, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine LED-Leuchte 6 ist. Der Nullleiter ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 7 kenntlich gemacht. Die Phase 5 und der Nullleiter 7 sind an eine Wechselstromspannungsquelle 8 angeschlossen, bei der es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um die Netzspannung handelt. Das Relais 2 verfügt über einen ortsfesten Relaiskontakt 9 und über einen beweglichen Relaiskontakt 10. In der Figur 1 ist das Relais 2 in seiner Offen-Stellung gezeigt, bei der die beiden Relaiskontakte 9, 10 voneinander beabstandet sind und die LED-Leuchte 6 nicht bestromt ist. Angeschlossen an die Relaiskontakte 9, 10 ist eine Spannungsmesseinrichtung 11, deren Signalleitung 12 an einen ersten Signaleingang der Steuerelektronik 3 angeschlossen ist. Mit der Spannungsmesseinrichtung 11 wird über die Relaiskontakte 9, 10 die Spannung gemessen, um über die sich ändernde Spannung bei dem Einschaltvorgang des Relais 2 sowie auch bei dem Ausschaltvorgang die jeweilige Schaltträgheit, das heißt: die Zeit zwischen dem Empfang eines Einschaltansteuersignals am Ansteuereingang 4 und dem Zustand, dass die Relaiskontakte 9, 10 geschlossen sind, ermittelt wird. Die Schaltträgheit des Relais 2 beim Ausschalten wird ausgehend von den geschlossenen Relaiskontakten 9, 10 ermittelt. Bei geöffneten Relaiskontakten 9, 10 wird über die Spannungsmesseinrichtung 11 die Wechselspannung gemessen, im vorliegenden Fall Netzspannung. Sind die Relaiskontakte 9, 10 hingegen geschlossen, ist die LED-Leuchte 6 bestromt und an der Spannungsmesseinrichtung 11 kann keine Spannung erfasst werden. Aufgrund dieses Messprinzips kann mit der Relaisschaltung 1 die Schaltträgheit des Relais 2 bei jeder Last ermittelt werden und insbesondere auch bei induktiven Lasten.
  • An die Steuerelektronik 3 ist ein elektronischer Speicher 13 angeschlossen, in dem die Ergebnisse der Schaltträgheitsmessungen gespeichert werden. Der Speicher 13 ist nach Art eines Ring- bzw. Registerspeichers organisiert, sodass eine bestimmte Anzahl an Schaltträgheitsmessungen darin gespeichert werden können.
  • Für die Durchführung des Verfahrens zum Nullpunktschalten des Relais 2 verfügt die Relaisschaltung 1 des Weiteren über eine Spannungsüberwachungseinrichtung 14, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Spannungsteiler ausgeführt ist. Die Spannungsüberwachungseinrichtung 14 ist zwischen die Phase 5 und den Nullleiter 7 geschaltet bzw. verbindet die Phase 5 mit der Nullleiter 7. Über die Spannungsüberwachungseinrichtung 14 wird die anliegende Netzspannung hinsichtlich ihres Verlaufes in Bezug auf die Nulldurchgänge der Wechselspannung überwacht. Die Signalleitung 15 der Spannungsüberwachungseinrichtung 14 ist an einen zweiten Signaleingang der Steuerelektronik 3 angeschlossen.
  • Mit der Relaisschaltung 1 kann das Relais 2 nullpunktgeschaltet werden. Dieses heißt, dass die Relaiskontakte 9, 10 bei einem Einschaltvorgang im Bereich des Nulldurchganges einer Wechselspannungshalbwelle ihren Geschlossen-Zustand bzw. eine diesen Zustand widerspiegelnden Zustand erreicht haben. Beim Ausschalten werden die Relaiskontakte 9, 10 im Bereich des Nulldurchganges geöffnet.
  • Um das Relais 2 zum Nullpunktschalten anzusteuern, wird in einem ersten Schritt die Schaltträgheit des Relais 2 beim Einschaltvorgang bestimmt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu diejenige Zeit über die Steuereinrichtung 3 erfasst, die benötigt wird, damit nach Beaufschlagen des Ansteuereinganges 4 mit einem entsprechenden Ansteuersignal die Relaiskontakte 9, 10 geschlossen sind. Liegt am Ansteuereingang 4 ein Einschaltansteuersignal an, beginnt die Zeitmessung. Zugleich wird über die Spannungsmesseinrichtung 11 die Spannung über die Relaiskontakte 9, 10 gemessen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Spannung kontinuierlich differenziert, und zwar bis diese eine vordefinierte Steigung erreicht hat. Hat die Differenzierung eine bestimmte Steigung erreicht, hat die Spannung einen erwarteten bzw. vordefinierten, den Geschlossen-Zustand widerspiegelnden Zustand erreicht. Der erwartete Spannungszustand ist so gewählt, dass dann die Relaiskontakte 9, 10 geschlossen sind. Der erwartete Spannungszustand wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit 0V angesetzt. Die Zeitmessung wird beendet, wenn durch das Differenzieren der Kontaktspannung (Spannung über die Relaiskontakte 9, 10) die vorgegebene Steigung erreicht ist. Diese ermittelte Zeitspanne entspricht der Schaltträgheit des Relais 2.
  • In Figur 2 ist dieses die Zeitspanne zwischen t ein1 und dem Zeitpunkt t schalt1. Das erste Einschalten des Relais 2 erfolgt in Bezug auf die Position des Einschaltvorganges auf einer Wechselspannungshalbwelle an einer zufälligen Stelle, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit t ein1 angenommen ist.
  • Über die Spannungsüberwachungseinrichtung 14 wird die Wechselspannung überwacht, und zwar im Hinblick auf den Zeitpunkt der erwarteten Nulldurchgänge.
  • Beim nächsten Einschaltvorgang wird das Relais 2 von der Steuerelektronik 3 zu einem Zeitpunkt zum Einschalten angesteuert, der dem Zeitpunkt des nächsten erwarteten Nulldurchganges der Wechselspannung abzüglich der zuvor ermittelten Schaltträgheit des Relais 2 entspricht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Ansteuereinschaltvorgang in Figur 2 mit t ein2 und der Geschlossen-Zustand des Relais 2 mit t schalt2 kenntlich gemacht. Der Zeitpunkt t schalt2 liegt unmittelbar benachbart zu dem tatsächlichen Nulldurchgang der gezeigten Wechselspannungshalbwelle.
  • Die Schaltträgheit des Relais 2 ist in gewissen Grenzen nicht konstant, auch aufgrund sich ändernder Umgebungszustände, wie Temperatur oder dergleichen. Aus diesem Grund werden für die Bestimmung der Schaltträgheit beim Einschaltvorgang mehrere Schaltträgheitsmessungen durchgeführt und in dem Speicher 13 abgelegt. Aus jeweils derselben Anzahl zurückliegender Schaltträgheitsmessungen wird der aktuelle Mittelwert gebildet, der sodann für den nächsten Einschaltvorgang zum Bestimmen des Einschaltzeitpunktes verwendet wird.
  • Typischerweise wird man bei jeder Einschaltansteuerung eine Schaltträgheitsbestimmung durchführen. Auf diese Weise arbeitet die Relaisschaltung 1 adaptiv in Bezug auf ein sich änderndes Schaltverhalten, sei es durch sich ändernde Umgebungsbedingungen, alterungsbedingt oder anderweitig begründet.
  • Eine Bestimmung der Schaltträgheit bei einem Ausschaltvorgang wird in analoger Weise durchgeführt. Die vorstehend beschriebene Verbesserung beim Einschaltvorgang führt bereits zu einer signifikanten Verlängerung der Lebensdauer des Relais 2 bzw. seiner Relaiskontakte 9, 10. Die Toleranzen in der Schaltträgheit beim Ausschaltvorgang sind geringer, was auch daran liegt, dass beim Ausschalten kein Magnetfeld aufgebaut werden muss. Folglich ist auch die Varianz der Schaltträgheit beim Ausschalten typischerweise deutlich geringer als beim Einschaltvorgang. Es ist daher nicht unbedingt erforderlich, die Schaltträgheit beim Ausschaltvorgang in der beschriebenen Art und Weise zu bestimmen. Beim Ausschaltvorgang kann man daher auf eine Schaltträgheit zurückgreifen, die als konstante Größe bei dem Verfahren verwendet wird. Alterungsbedingte Änderungen können durch eine Änderung dieser konstanten Größe reflektiert werden.
  • In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, den Zeitpunkt der Relaiskontakt-geschlossen-Stellung t schalt2 mit dem Zeitpunkt des tatsächlichen Nulldurchganges zu vergleichen. Überschreitet die erfasste Zeitdifferenz eine gewisse Toleranzzeit, kann diese ermittelte Zeitdifferenz zwischen dem Kontakt-geschlossen-Zustand t schalt2 und dem tatsächlichen Nullpunkt in die Bestimmung der Schaltträgheit einfließen. Auf diese Weise ist es möglich, den Relaiskontakt-geschlossen-Zustand so nah wie möglich an den tatsächlichen Nulldurchgang zu legen.
  • Durch Alterung und Umwelteinflüsse kann es zu Oxidation an den Relaiskontakten 9, 10 kommen. Dabei entsteht eine hochohmige Oxidschicht. Wenn eine solche Oxidschicht hinreichend hochohmig ist, wird die Spannung über dem Relaiskontakt nicht klein; ein Schaltpunkt des Relais kann von der Steuerelektronik daher nicht oder nicht hinreichend präzise erkannt werden. Das beschriebene Verfahren kann allerdings auch genutzt werden, um gezielt einer Oxidierung der Relaiskontakte 9, 10 vorzubeugen bzw. diese, wenn vorhanden, zu beseitigen. Dieses ist möglich, indem jeder x-te Schaltvorgang, etwa jeder 50te Schaltvorgang auf einen Zeitpunkt gelegt wird, in dem das Relais nicht im Nullpunkt, sondern zu einem Zeitpunkt zum Schließen bzw. Öffnen der Relaiskontakte 9, 10 angesteuert wird, damit ein Schaltfunke entsteht. Durch diesen werden die Relaiskontakte 9, 10 freigebrannt, mithin von der Oxidschicht befreit. Über die Spannungsverlaufsüberwachung zum Bestimmen des nächsten erwarteten Nulldurchgangs ist die Bestimmung eines solchen Schaltzeitpunkts zum Nicht-Nullpunktschalten ohne weiteres möglich.
  • Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, das beanspruchte Verfahren sowie die beanspruchte Relaisschaltung zu realisieren, ohne dass diese im Rahmen dieser Ausführungen im Einzelnen erläutert werden müsste.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Relaisschaltung
    2
    Relais
    3
    Steuerelektronik
    4
    Ansteuereingang
    5
    Phase
    6
    LED-Leuchte
    7
    Nullleiter
    8
    Spannungsquelle
    9
    ortsfester Relaiskontakt
    10
    beweglicher Relaiskontakt
    11
    Spannungsmesseinrichtung
    12
    Signalleitung
    13
    Speicher
    14
    Spannungsüberwachungseinrichtung
    15
    Signalleitung

Claims (15)

  1. Verfahren zum Nullpunktschalten eines eine wechselstromgespeiste Last schaltenden Relais (2), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    - Bestimmen der Schaltträgheit des Relais (2) beim Einschaltvorgang und/oder beim Ausschaltvorgang durch Erfassen der Spannung über die Relaiskontakte (9, 10) zwischen dem Zeitpunkt (t ein1 ) seiner Ein- bzw. Ausschaltansteuerung und dem Zeitpunkt (t schalt1 ) der geschlossenen bzw. geöffneten Relaiskontakte (9, 10),
    - Überwachen des Spannungsverlaufes der durch das Relais (2) zu schaltenden Spannung zum Ermitteln des Zeitpunktes des nächsten erwarteten Nulldurchganges und
    - Ansteuern des Relais (2) zum Schließen bzw. Öffnen der Relaiskontakte (9, 10) zu einem Zeitpunkt (t ein2 ), der dem Zeitpunkt des erwarteten Nulldurchganges abzüglich der Einschaltträgheit bzw. der Ausschaltträgheit des Relais (2) entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Schaltträgheit des Relais (2) die Spannung über die Relaiskontakte (9, 10) kontinuierlich differenziert wird und das Erreichen einer vordefinierten Steigung der Spannung den Relaiskontakt-geschlossen-Zustand bzw. den Relaiskontakt-offen-Zustand definiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Bestimmens der Einschaltträgheit und/oder der Ausschaltträgheit bei jedem Einschaltvorgang bzw. jedem Ausschaltvorgang durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltträgheit mehrfach ermittelt wird und aus einer vordefinierten Anzahl an Schaltträgheitsmessungen ein Mittelwert gebildet wird, der die zu berücksichtigende Schaltträgheit bei der Bestimmung des Zeitpunktes der Ansteuerung des Relais darstellt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Schaltträgheitsmittelwertermittlung tiefpassgefiltert werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der geschlossenen bzw. geöffneten Relaiskontakte (9, 10) mit dem aktuellen Verlauf der Wechselspannungshalbwelle bezüglich seines zeitlichen Abstandes von dem auf das Schalten des Relaiskontaktes (9, 10) folgenden Nulldurchgang bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenzzeit dieses bei der nächsten Ansteuerung des Relais (2) für denselben Schaltvorgang - Öffnen oder Schließen - bezüglich des Ansteuerzeitpunktes berücksichtigt wird, um den tatsächlichen Relaiskontaktschaltvorgang näher an den Nulldurchgang zu bringen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Spannungsverlaufes mittels einer die Phase (5) mit dem Nullleiter (7) verbindenden Spannungsüberwachungseinrichtung (14) vorgenommen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung des Spannungsverlaufes in der Spannungsüberwachungseinrichtung (14) mittels eines Spannungsteilers vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Schaltträgheit des Relais (2) beim Einschaltvorgang bestimmt wird und die Schaltträgheit beim Ausschaltvorgang als konstante Größe vorgegeben ist.
  11. Relaisschaltung, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem zum Schalten einer wechselspannungsgespeisten Last vorgesehenen Relais (2) und mit einer Steuerelektronik (3) zum Ansteuern des Relais (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisschaltung (1) eine Spannungsmesseinrichtung (11) zum Erfassen der Spannung über die Relaiskontakte (9, 10) aufweist.
  12. Relaisschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaisschaltung (1) eine die Phase (5) mit dem Nullleiter (7) verbindenden Spannungsüberwachungseinrichtung (14) zur Überwachung des Spannungsverlaufes umfasst.
  13. Relaisschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsüberwachungseinrichtung (14) einen Spannungsteiler umfasst, über den der Spannungsverlauf überwacht wird.
  14. Relaisschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektronik (3) eine Nulldurchgangserkennung zum Erkennen des Nulldurchganges der Wechselspannung umfasst.
  15. Relaisschaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmesseinrichtung (11) über eine Spannungsteilerschaltung oder eine Komparatorschaltung realisiert ist.
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