EP4009345A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum energieoptimierten betrieb elektromagnetischer triebsysteme - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum energieoptimierten betrieb elektromagnetischer triebsysteme Download PDF

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EP4009345A1
EP4009345A1 EP21210988.8A EP21210988A EP4009345A1 EP 4009345 A1 EP4009345 A1 EP 4009345A1 EP 21210988 A EP21210988 A EP 21210988A EP 4009345 A1 EP4009345 A1 EP 4009345A1
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EP
European Patent Office
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circuit
drive system
control
electromagnetic drive
voltage
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EP21210988.8A
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EP4009345B1 (de
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Olaf Laske
Burkhard Thron
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ABB Schweiz AG
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Ptc Rail Services GmbH
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    • H01H47/325—Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator
    • H—ELECTRICITY
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    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H2047/025—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay with taking into account of the thermal influences, e.g. change in resistivity of the coil or being adapted to high temperatures

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system according to the preamble of claim 1 and a method for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system with a circuit arrangement.
  • Such a circuit arrangement includes a control voltage source for generating a control voltage, a control stage for controlling the electromagnetic drive system for switching the mechanical system during a switching process, and a control circuit for controlling the control circuit.
  • Electromagnetic drive systems are used in electrical engineering to apply force to moving mechanical components. Electromagnetic drive systems are, for example, pulling, lifting or pushing magnets, but also other components that work on an electromagnetic basis. Electromagnetic drive systems are used, for example, in electromechanical devices such as contactors, circuit breakers, relays and solenoid valves.
  • An electromagnetic drive system usually has a magnetic system in the form of a coil which is excited by a control voltage source.
  • a magnetic field induced by exciting the coil acts on a mechanical system, e.g. an armature or a lever system, and accelerates it.
  • the mechanical effect of the drive system is achieved by accelerating the mechanical system.
  • the mechanical effect can consist, for example, in the closing of a switch or the closing of a valve.
  • ballasts are usually used that control the energy supply of the drive system in such a way that when the drive system is actuated, the path-time characteristic of the force curve corresponds to the requirements of the mechanical system.
  • a ballast clocks the drive system directly via one or more electronic switches.
  • the disadvantage here is that the control voltage can only be reduced in this way.
  • the direct clocking by the ballast generates an interference voltage spectrum that can have a negative impact on other electronic components.
  • the clocked mode of operation leads to the application of steep voltage pulses.
  • the windings of electromagnetic drive systems are regularly only designed for direct current operation or low-frequency alternating current operation, so that clocked operation can cause damage to the drive system.
  • WO 2017/093552 discloses, for example, a circuit arrangement for actuating an electromagnetic drive system and a method for operating the same, the drive system being fed with DC voltage with a temporal feed progression.
  • the circuit arrangement has a clocked transformer-type converter stage and a control circuit, the control circuit providing the feed characteristics required for the specific operation of the electromagnetic drive system over the entire input voltage and temperature range without pulsed loading of the drive system.
  • control current that is fed in is based on a timing control.
  • the object of the present invention is to provide a circuit arrangement and a method for operating electromagnetic drive systems that enable safe, mechanically gentle and energy-optimized operation of the electromagnetic drive system in the entire input voltage and temperature range without causing significant interference emissions.
  • the reliable triggering of such drive systems should be ensured that have a force curve that increases sharply over time and are intended for use at low temperatures.
  • control circuit is designed to detect a first characteristic value indicating a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a and a second characteristic value indicative of the control voltage U B and to use at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system based on the first characteristic value and the to set the second parameter.
  • the control is thus specifically dependent on the first and second characteristic value.
  • the control parameter is determined as a function of the first characteristic value, which indicates a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a , and the second characteristic value, which indicates the control voltage U B .
  • the deactivation parameter is selected as a function of the first and second characteristic value in such a way that reliable triggering, in particular reliable tightening, of the electromagnetic drive system is ensured.
  • Energy-optimized operation of the electromagnetic drive system is made possible by individually selecting the control parameters that are adapted to the prevailing temperature and control voltage.
  • the energy requirement can be reduced and the possible switch-on frequency increased.
  • Unnecessary thermal loads on the drive system are avoided by the adapted duty cycle, which increases the service life of the drive system and its components.
  • the electromagnetic drive system is, for example, an electromagnet with an armature as a mechanical system.
  • the electromagnetic drive system is in particular a traction magnet.
  • the electromagnetic drive system, in particular the traction magnet is arranged in a circuit breaker, for example a circuit breaker of a battery management system, in particular of a rail vehicle.
  • the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system is, for example, the temperature of the magnetic system of the electromagnetic drive system, in particular the temperature present in the windings of a coil of the magnetic system.
  • the ambient temperature ⁇ a is, for example, the temperature in an area surrounding the electromagnetic drive system, in particular the magnetic system of the drive system.
  • control voltage U B is the operating voltage provided by a battery, in particular a battery of a rail vehicle.
  • control circuit has a voltage detection circuit for detecting the second characteristic value indicative of the control voltage U B .
  • the voltage detection circuit preferably has an input filter.
  • control stage is designed to energize the drive system by applying the control voltage U B to switch the mechanical system.
  • control voltage U B is applied to the magnetic system of the electromagnetic drive system.
  • the control stage is connected, for example, to the control voltage source for generating the control voltage U B , in particular to the battery of a rail vehicle.
  • control circuit is designed to set a switch-on time ⁇ t n as a control parameter for controlling the electromagnetic drive system.
  • the duty cycle ⁇ t n is the time period during which the electromagnetic drive system, in particular the magnetic system of the drive system, is acted upon by a voltage, in particular the control voltage U B .
  • the duty cycle ⁇ t n is selected as a function of the first and second characteristic value, thus in particular as a function of the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or the ambient temperature ⁇ a and the control voltage U B .
  • the circuit arrangement allows, according to one embodiment, an adjustment of the Duty cycle ⁇ t n to the energy requirement of the drive system at a given, recorded temperature ⁇ c or ⁇ a and control voltage U B .
  • the duty cycle ⁇ t n determined in this way is always shorter or equal to the maximum amount of time that must be used for a timer.
  • the switch-on time ⁇ t n is, for example, the minimum length of time that is necessary to ensure reliable triggering, in particular reliable tightening, of the drive system.
  • the duty cycle ⁇ t n includes a safety interval ts.
  • the control circuit has a logic circuit, the logic circuit setting the control parameter using a family of characteristics as a function of the first characteristic value and the second characteristic value.
  • the control parameter is selected as a function of the first and second characteristic value in such a way that reliable triggering, in particular reliable tightening, of the electromagnetic drive system is ensured.
  • the family of characteristics has, in particular, a characteristic that characterizes the point in time at which the drive system is triggered, in particular when it is started reliably.
  • the family of characteristics describes, for example, the time course of the voltage U ZM on the electromagnetic drive system as a function of the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ⁇ a on the one hand and the control voltage U B on the other.
  • the time profile of the current I ZM in the electromagnetic drive system as a function of the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ⁇ a on the one hand and the control voltage U B on the other hand can also be used as a family of characteristics.
  • a voltage U ZM and a current I ZM are produced in the electrical drive system.
  • the time profile of the voltage U ZM am or of the current I ZM in the electromagnetic drive system depends on the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ⁇ a and the applied control voltage U B .
  • the voltage U ZM am or the current I ZM in the electromagnetic drive system as a function of time, temperature ⁇ c or ⁇ a and control voltage U B defines a three-dimensional family of characteristics. For a specific, recorded temperature ⁇ c or ⁇ a and a specific, recorded control voltage U B , the voltage U ZM am or the current I ZM in the electromagnetic drive system is a function of time.
  • the electromagnetic drive system is triggered when the attraction force of the electromagnetic drive system is reached.
  • the value of the voltage U ZM at the drive system corresponding to the attraction force or the value of the current I ZM corresponding to the attraction force is the attraction value.
  • the duty cycle ⁇ t n is the time value assigned to the pull-in value on a characteristic curve defined by the detected temperature and the detected control voltage.
  • the logic circuit outputs a voltage equivalent of the on-time ⁇ t n .
  • the control circuit has a setpoint processing stage for generating an adjusted voltage U tSoll for forwarding to the drive stage, with the setpoint processing stage being fed the voltage equivalent generated in the logic circuit.
  • a temperature detection circuit is connected to the logic circuit and has a temperature sensor for measuring the first characteristic value indicating a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a .
  • the temperature sensor makes it possible to determine the first characteristic value characterizing the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a .
  • the temperature sensor is connected to the electromagnetic drive system and has, for example, a thermistor, in particular an NTC resistor (negative temperature coefficient thermistor, NTC).
  • NTC resistor negative temperature coefficient thermistor
  • a temperature detection circuit is arranged in the logic circuit, the temperature detection circuit having a circuit for calculating the first characteristic value indicating a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a using an electrical resistance of the electromagnetic drive system.
  • a temperature sensor can thus be dispensed with. This minimizes any interference signals or other sources of error associated with the temperature sensor, as well as time delays.
  • the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a indicating the first characteristic value is determined directly by the logic circuit.
  • the calculation is carried out taking into account the specific resistance of the material of the magnetic system of the drive system, in particular the material of the windings of the magnetic system.
  • the first parameter is calculated taking into account the specific resistance of copper.
  • the temperature detection circuit has a Riemann integrator for integrating the voltage U ZM on the electromagnetic drive system and the current I ZM in the electromagnetic drive system.
  • the Riemann integrator has an analog switch in duplicate, to which the current present in the electromagnetic drive system and the voltage present in the electromagnetic drive system are supplied.
  • the analog switch is connected to a monostable multivibrator.
  • the monostable multivibrator specifies the integration interval.
  • the Riemann integrator has, for example, an operational amplifier operated as a divisor and a downstream multiplier stage for forming the quotient of voltage and current.
  • the setpoint processing stage has a sample-and-hold circuit.
  • the setpoint processing also has a negator, for example.
  • the negator connects the monostable multivibrator of the Riemann integrator to the control input of the sample and hold circuit.
  • a voltage divider is connected downstream of the sample-and-hold circuit. The voltage divider feeds a voltage equivalent to the duty cycle of the control stage.
  • the drive stage has a pulse width modulation circuit (PWM circuit) with a monostable multivibrator, with a control input of the monostable multivibrator connected to the control circuit and an output of the monostable multivibrator is connected to the pulse width modulation circuit.
  • PWM circuit pulse width modulation circuit
  • the monostable multivibrator thus represents a switch-on time limitation.
  • the pulse duration of the PWM circuit is determined by the monostable multivibrator by the voltage output by the control circuit and corresponds to the switch-on period ⁇ t n .
  • the circuit arrangement has a power stage and the drive stage has a driver circuit for driving the power stage.
  • control circuit and the pulse width modulation circuit are designed as a microcontroller circuit. This enables a compact implementation and a quick and compact installation of the circuit arrangement with little wiring effort.
  • circuit parts of the voltage detection circuit, Riemann integrator, sample-and-hold circuit and PWM circuit with a monostable multivibrator are designed as a microcontroller circuit.
  • control circuit the pulse width modulation circuit and the driver circuit for controlling the power stage are arranged in an application-specific integrated circuit (ASIC) or in a hybrid circuit.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the circuit parts voltage detection circuit, Riemann integrator, sample-and-hold circuit, PWM circuit with monostable multivibrator and the driver circuit of the power stage are combined in an ASIC or in a hybrid circuit.
  • the power stage has an output rectifier, in particular with smoothing.
  • the electromagnetic drive system is supplied with DC voltage.
  • the power stage has a power transistor and a transformer.
  • the subject matter of the invention is also a method for actuating an electromagnetic drive system for switching a mechanical system with a circuit arrangement according to one of Claims 1 to 14.
  • the control circuit In such a method for actuating an electromagnetic drive system for shifting a mechanical system with a circuit arrangement of the type described above, the control circuit generates a first characteristic value indicating a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system and/or an ambient temperature ⁇ a and a control voltage U B indicative second characteristic value detected and set by the control circuit at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system based on the first characteristic value and the second characteristic value.
  • the method according to the invention implements the advantages of the circuit arrangement at the method level.
  • a method is made available with which an electromagnetic drive system is operated in an energy-optimized manner.
  • the drive system is energized by the control stage by applying the control voltage U B for switching the mechanical system.
  • control circuit sets a duty cycle ⁇ t n as a control parameter for controlling the electromagnetic drive system.
  • the duty cycle ⁇ t n is selected in particular such that the drive system is triggered, in particular the pull-in value, within the duty cycle ⁇ t n .
  • the tightening value depends on the temperature of the drive system ⁇ c or the ambient temperature ⁇ a and the control voltage U B .
  • the duty cycle ⁇ t n is preferably chosen to be minimal. This enables energy-optimized operation.
  • the duty cycle ⁇ t n preferably has a safety interval ts. The safety interval ts ensures reliable triggering of the drive system within the measurement and switching tolerances.
  • the duty cycle ⁇ t n is calculated taking into account an end position criterion using the three-dimensional family of characteristics of the voltage U ZM am or the current I ZM in the electromagnetic drive system as a function of the control voltage U B , the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ⁇ a and the time determined.
  • the tightening value is preferably determined by an end position criterion for the time profile of the voltage U ZM am or the current I ZM in the drive system at a specific, recorded temperature ⁇ c of the drive system or a specific, recorded ambient temperature ⁇ a of the drive system and a specific, recorded control voltage U B defined.
  • the tightening value is preferably defined by a voltage peak of the time profile of the voltage U ZM on the drive system.
  • the pull-in value can also be defined by a current drop in the course of the current I ZM over time in the drive system.
  • FIG. 1 shows the family of characteristics of the voltage U ZM at the electromagnetic drive system 41 with fixed control voltage U B as a function of time t.
  • This three-dimensional family of characteristics is illustrated as a two-dimensional family of characteristics for a fixed control voltage U B in 1 and as a two-dimensional family of characteristics for a fixed ambient temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system in 2 shown.
  • the electromagnetic drive system 41 has a magnet system, in particular a coil with a core, and a mechanical system 6, in particular an armature.
  • the electromagnetic drive system 41 is a traction magnet 41.
  • the traction magnet 41 is supplied with a control voltage U B . In this case, to is the time at which the control voltage U B is switched on.
  • the application of the control voltage U B leads to an increase in the voltage U ZM at the pulling magnet 41.
  • the magnetic force on the armature increases. At the end stop of the armature of the pull magnet 41, a voltage peak Z occurs.
  • the course of the voltage U ZM at the pulling magnet 41 is shown for three different ambient temperature values: the maximum ambient temperature damax, the nominal temperature ⁇ anom and the minimum ambient temperature ⁇ amin .
  • attack time T Anschl is a function of ambient temperature ⁇ a .
  • the lower the ambient temperature ⁇ a the longer the attack time T Anschl : more time is required to supply the pulling magnet 41 with the energy required for triggering.
  • the reasons for this are the changed magnetic properties of the pulling magnet 41 and the increased sliding friction of the armature of the pulling magnet 41 at a lower temperature ⁇ a .
  • t 1 denotes the end of the impact process at maximum ambient temperature damax
  • t 2 the end of the impact process at nominal temperature ⁇ anom
  • t 3 the end of the impact process at minimum ambient temperature ⁇ amin .
  • the time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t 1 is smaller than the time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t 2 , which in turn is smaller than the time interval from switch-on moment to to the end of the striking process t 3 .
  • the lower the ambient temperature ⁇ a the greater the time t n until the end of the impact process.
  • the end of the impact process and the accompanying drop in the edge of the voltage peak Z represent an end position criterion for reaching the end position of the pulling magnet 41.
  • the duty cycle ⁇ t n is determined by the end position criterion.
  • a safety interval ts is preferably added at the time t n of the end of the striking process.
  • the switch-on time ⁇ t is the length of time that the tension magnet 41 must be supplied with the control voltage U B at the ambient temperature ⁇ a in order to ensure that the end position is reached.
  • the control voltage U B would have to be applied for at least the period t 3 +t s in order to ensure that the end position was reached over the entire temperature range between the minimum and maximum ambient temperature ⁇ amin to ⁇ amax .
  • the exposure time is reduced by determining the duty cycle ⁇ t n as a function of both the control voltage U B and the ambient temperature ⁇ a .
  • the end position is marked by a voltage peak Z.
  • the duty cycle ⁇ t n results from the time t n at which the flank of the voltage peak Z has fallen, plus a safety interval ts.
  • the longest period of time would have to be selected as the duration of the loading of the pulling magnet 41, ie the duration t 3 +t s that is necessary for the loading of the minimum control voltage U Bmin to reach the end position.
  • Determining the duty cycle ⁇ t n as a function of the ambient temperature ⁇ a and the control voltage U B allows the duration of the loading of the drive system 41 to be reduced. This enables energy-optimized operation of the drive system 41, in particular for control voltage sources with a wide voltage range, such as for battery circuit breakers of rail vehicles, where safe operation must be guaranteed in a wide voltage range from 65V to 150V, with the nominal control voltage of the battery being 110V.
  • the electromagnetic drive system 41 is a pull magnet of a battery circuit breaker, preferably a battery management system in a rail vehicle, for example a battery circuit breaker of the type BMR-437-01-V-S0-07-110-200A.
  • the electromagnetic drive system 41 has a thermally dependent pull-in behavior. Suit behavior is in 1 and 2 presented qualitatively. The tightening behavior depends on the ambient temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system 41, the control voltage U B and the duration of the application. Instead of the ambient temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system 41, the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system 41 can also be used as a reference value.
  • a simple electromagnetic drive system 41 without a ballast cannot guarantee reliable tightening in such a wide control voltage range U B .
  • Safe tightening at low temperatures ⁇ a is also not guaranteed without a ballast.
  • the magnet system of the electromagnetic drive system 41 changes, so that longer loading times are necessary to ensure reliable tightening.
  • the magnetic properties and the sliding properties of the armature change. To the At lower temperatures ⁇ a more energy must be supplied to the magnetic system in order to trigger the attraction.
  • a circuit arrangement is provided to ensure reliable tightening even at low temperatures ⁇ a and with a wide control voltage range U B .
  • This circuit arrangement ensures that both at low temperatures ⁇ a , 1 , as well as with low control voltage U B , 2 , the tightening is guaranteed, ie sufficient time is available to supply the necessary energy.
  • the circuit arrangement therefore has a control circuit 1, which sets the control stage 2 at least one control parameter for controlling the electromagnetic drive system 41 using the first characteristic value and the second characteristic value.
  • the first parameter indicates a temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system 41 and/or an ambient temperature ⁇ a .
  • the second characteristic shows the control voltage U B .
  • the at least one control parameter includes the duty cycle ⁇ t n .
  • the power supply 5 is characterized by a rapid build-up of the control power supply voltage Us.
  • the circuit arrangement has a temperature detection circuit for detecting the first characteristic value indicating the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature ⁇ a .
  • the temperature detection circuit includes a temperature sensor 42, preferably a thermistor or NTC resistor.
  • the temperature sensor 42 is thermally coupled to the electromagnetic drive system 41, in particular the coil of the pulling magnet 41.
  • control circuit 1 has a voltage detection circuit 11 for detecting the second characteristic value indicative of the control voltage U B .
  • the voltage detection circuit 11 detects, for example, the incoming control voltage U B via an input filter.
  • the circuit arrangement also has a logic circuit 12 for combining the first characteristic value and the second characteristic value, the logic circuit 12 setting the control parameter, in particular the duty cycle ⁇ t n , using a family of characteristics as a function of the first characteristic value and the second characteristic value.
  • the logic circuit 12 has a first and a second input, the first input being connected to an output of the voltage detection circuit 11 and the second input being connected to an output of the temperature detection circuit, in particular the temperature sensor 42 .
  • the logic circuit 12 determines the duty cycle ⁇ t n taking into account the family of characteristics of the time profile of the voltage U ZM on the electromagnetic drive system 41 as a function of the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system or the ambient temperature ⁇ a on the one hand and the control voltage U B on the other hand.
  • the logic circuit 12 has an output for outputting a voltage equivalent of the duty cycle ⁇ t n determined in this way.
  • the control circuit 1 also has a reference processing 13 for generating an adjusted voltage U tsoll .
  • An input of setpoint processing 13 is connected to logic circuit 12 .
  • the setpoint preparation 13 generates the adjusted voltage U tsoll from the voltage equivalent of the duty cycle ⁇ t n received from the logic circuit 12 .
  • the control circuit 1 is connected to the control stage 2 and provides it with the control parameter, i.e. in particular the duty cycle determined taking into account the temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature ⁇ c and the second characteristic value indicating the control voltage U B ⁇ t n , ready.
  • the control parameter i.e. in particular the duty cycle determined taking into account the temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system 41 and/or the ambient temperature ⁇ c and the second characteristic value indicating the control voltage U B ⁇ t n , ready.
  • the control circuit 1 supplies the control stage 2 with the adjusted voltage U tsoll generated in the setpoint preparation 13 .
  • a control stage 2 is shown with a PWM circuit 21 and a driver circuit 22 for a downstream power stage 3.
  • the PWM circuit 21 has a monostable multivibrator 211, by means of which the adjusted voltage U tsoll generated in the setpoint conditioning 13 is converted into a switch-on interval tsoii of the PWM - Circuit 21 is converted.
  • the pulses of the PWM circuit are fed to the power stage 3 via the driver circuit 22, so that the electromagnetic drive system 41 is acted upon.
  • the power stage 3 has an output rectifier 33 with smoothing, so that direct voltage is applied to the electromagnetic drive system 41 .
  • the power stage 3 has a power transistor 31 and a transformer 32 .
  • the circuit arrangement is also equipped with a current control.
  • the main current in the power circuit 3 is detected via the shunt resistor R sh and fed to the voltage detection circuit 11 .
  • a circuit arrangement for operating an electromagnetic drive system 41, in particular a pulling magnet 41 of a battery circuit breaker, is thus made available, which enables energy-optimized operation.
  • In 4 is a basic circuit diagram of a circuit arrangement for operating an electromagnetic drive system 41, in particular a pull magnet 41 of a battery circuit breaker, according to a further embodiment of the invention.
  • a temperature detection circuit is arranged in the logic circuit 12, in particular the logic and temperature detection take place in one circuit.
  • the temperature detection circuit determines the temperature ⁇ c of the electromagnetic drive system 41 and/or the Ambient temperature ⁇ a of the electromagnetic drive system 41 indicative first characteristic value by means of an analog calculation method and combines this with the detected by means of the voltage detection circuit 11, the control voltage U B indicative second characteristic value.
  • the voltage U ZM on the electromagnetic drive system 4 and the current I ZM in the electromagnetic drive system 41 are detected via the detection circuit 11 .
  • the detection circuit 11 has an input filter for U B and the voltage U Rsh dropping across the shunt resistor R sh .
  • the input filter is preferably set to 500Hz.
  • the detection circuit 11 has a unit 111 for potential isolation, in particular an optocoupler, for example of the CNY17-4 type, to which the voltage UzM is supplied.
  • UzM and I ZM or URSH are filtered, for example, with an LMC 6482 filter.
  • the logic circuit 12 has a Riemann integrator.
  • the voltage U ZM at the pulling magnet 41 and the current I ZM in the pulling magnet 41 are measured for an integration interval t R and an equivalent voltage is formed by forming the quotient of U ZM and I ZM or U RSh .
  • the integration interval t R is defined by an analog switch 121 in duplicate, which is controlled by a monostable multivibrator 122 .
  • the analog switch 121 is of the MAX 320 MJA type and the monostable is of the NE 555 FE type.
  • the operational amplifier 123 is, for example, of the AD 711 type.
  • the multiplier stage 124 the product of the voltage signal U ZM and the inverse current 1/I ZM , ie the quotient of the voltage U ZM and the current I ZM , is formed.
  • the quotient is sent to setpoint processing 13 .
  • the setpoint processing 13 has a sample-and-hold circuit 132 .
  • the sample and hold circuit 132 is switched via the monostable multivibrator 122 as a timer.
  • the output signal of the monostable multivibrator 122 is fed to an inverter 131, which is connected to the control input of the sample-and-hold circuit 132.
  • the output of sample and hold circuit 132 is coupled to In2 by a voltage divider having resistors R 3 , R 4 .
  • both the voltage U ZM and the current I ZM at the pulling magnet 41 increase exponentially, see FIG figure 5 . Due to the exponential character of the voltage or current characteristic U ZM , I ZM in the small-signal range, the Riemann integral can be linked to the logarithm of 2, In2 ⁇ 0.693.
  • the output voltage of the sample-and-hold circuit 132 is between 0 and 10 VDC, so that the adjusted voltage U tsoll that is output is derived in a quasi-normalized manner through the voltage divider ratio R 3 /R 4 .
  • the adjusted voltage U tsoll generated in this way reaches the input 211 for the time control of the PWM circuit 21.
  • the adjusted voltage U tsoll determines the duty cycle ⁇ t n according to the in 1 or. 2 illustrated characteristic curves.
  • the pulses of the PWM circuit 21 are fed to the power stage 3 via the driver circuit 22, so that the pull magnet 41 is acted upon.
  • the control circuit 1 and the drive stage 2 are fed by the power supply 5 with 15VDC.
  • the power supply 5 is characterized by a rapid build-up of the supply voltage Us at the moment to.

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Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und einer Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, einen eine Temperatur des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert zu setzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung umfasst eine Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung, eine Ansteuerstufe zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten des mechanischen Systems während eines Schaltvorgangs und eine Steuerschaltung zum Steuern der Ansteuerschaltung.
  • Elektromagnetische Triebsysteme werden in der Elektrotechnik zur Kraftbeaufschlagung beweglicher mechanischer Bauteile eingesetzt. Elektromagnetische Triebsysteme sind beispielsweise Zug-, Hub- oder Schubmagnete, aber auch andere auf elektromagnetischer Basis arbeitende Bauteile. Anwendung finden elektromagnetische Triebsysteme beispielsweise in elektromechanischen Vorrichtungen wie Schützen, Schutzschaltern, Relais und Magnetventilen.
  • Ein elektromagnetisches Triebsystem weist üblicherweise ein magnetisches System in Form einer Spule auf, die durch eine Steuerspannungsquelle erregt wird. Ein durch die Erregung der Spule induziertes Magnetfeld wirkt auf ein mechanisches System, z.B. einen Anker oder ein Hebelsystem, und beschleunigt dieses. Durch die Beschleunigung des mechanischen Systems wird die mechanische Wirkung des Triebsystems erreicht. Die mechanische Wirkung kann beispielsweise in dem Schließen eines Schalters oder dem Schließen eines Ventils bestehen.
  • Kraftverlauf und Schließgeschwindigkeit des mechanischen Systems sind von der Höhe der angelegten Spannung, der Temperatur sowie von den konstruktiven Gegebenheiten des Triebsystems abhängig. Eine direkte Beaufschlagung des Triebsystems mit der zur Verfügung stehenden Steuerspannung hat somit in der Regel den Nachteil, dass die eingespeiste Steuerspannung nicht dem erforderlichen Kraftverlauf des mechanischen Systems angepasst ist.
  • Zur Anpassung der Steuerspannung an die erforderliche Weg-Zeit-Charakeristik des Kraftverlaufs werden üblicherweise Vorschaltgeräte eingesetzt, die die Energieversorgung des Triebsystems so steuern, dass bei Betätigung des Triebsystems die Weg-Zeit-Charakteristik des Kraftverlaufs den Erfordernissen des mechanischen Systems entspricht.
  • Ein Vorschaltgerät taktet das Triebsystem direkt über einen oder mehrere elektronische Schalter. Nachteilig ist hierbei, dass die Steuerspannung so nur reduziert werden kann. Es gibt jedoch Einsatzfälle, beispielsweise Unterspannungssituationen, in denen eine Erhöhung der Steuerspannung erforderlich ist. Die direkte Taktung durch das Vorschaltgerät erzeugt ein Störspannungsspektrum, das sich negativ auf andere elektronische Bauteile auswirken kann. Die getaktete Betriebsweise führt zu einer Beaufschlagung mit steilen Spannungspulsen. Die Wicklungen elektromagnetischer Triebsysteme sind jedoch regelmäßig nur für den Gleichspannungsbetrieb oder einen niederfrequenten Wechselspannungsbetrieb ausgelegt, so dass es die getaktete Betriebsweise Schäden am Triebsystem verursachen kann.
  • In der WO 2017/093552 ist beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Triebsystems und ein Verfahren zum Betrieb derselben offenbart, wobei das Triebsystem mit Gleichspannung mit einem zeitlichen Speiseverlauf gespeist wird. Die Schaltungsanordnung weist eine getaktete transformatorische Wandlerstufe und eine Steuerschaltung auf, wobei die Steuerschaltung die für den spezifischen Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems erforderliche Speisecharakteristik im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ohne gepulste Beaufschlagung des Triebsystems bereitstellt.
  • Nachteilig hierbei ist, dass der eingespeiste Steuerstrom auf einer Zeitsteuerung basiert.
  • Werden derartige Triebsysteme an elektrischen Spannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben, ergeben sich aus der zeitlichen Steuerung regelmäßig unnötige Wärmebelastungen der Triebsysteme. Dies führt zu einer thermisch bedingten Degradation der Isolierstoffe und somit zu einer reduzierten Lebensdauer des Triebsystems. Die Taktung der möglichen Einschaltungen wird darüber hinaus nachteilig begrenzt.
  • Besondere Anforderungen bestehen beispielsweise für elektromagnetische Triebsysteme, beispielsweise Zugmagnete, von Batterieschutzschaltern, insbesondere in Batteriemanagementsystemen von Schienenfahrzeugen wie sie in DE 10 2018 109 594 offenbart und die oftmals für den Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind. Diese müssen über einen weiten Spannungsbereich und einen weiten Temperaturbereich, insbesondere auch bei tiefen Temperaturen, einen sicheren Anzug gewährleisten. Im Gegensatz zu Schützen besteht bei Schutzschaltern dieser Art ein zeitlich stark ansteigender Kraftbedarf.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betrieb elektromagnetischer Triebsysteme zur Verfügung zu stellen, die einen sicheren, mechanisch schonenden und energieoptimierten Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems im gesamten Eingangsspannungs- und Temperaturbereich ermöglichen, ohne dass eine wesentliche Störaussendung verursacht wird. Insbesondere soll die sichere Auslösung solcher Triebsysteme gewährleistet sein, die einen zeitlich stark ansteigenden Kraftverlauf aufweisen und für eine Tieftemperaturanwendung vorgesehen sind.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Demnach ist die Steuerschaltung ausgebildet, einen eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwerts zu setzen.
  • Die Ansteuerung erfolgt somit spezifisch in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert. Der Ansteuerparameter wird in Abhängigkeit von dem eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts und dem die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwert bestimmt. Insbesondere wird der Absteuerparameter in Abhängigkeit von ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass eine sichere Auslösung, insbesondere ein sicherer Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist.
  • Durch die individuelle, der vorliegenden Temperatur und Steuerspannung angepassten Wahl des Ansteuerparameters, wird ein energieoptimierter Betrieb des elektromagnetischen Triebsystems ermöglicht. Insbesondere für Triebsysteme, die auch bei tiefen Temperaturen zum Einsatz kommen und mit Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich betrieben werden, lässt sich somit der Energiebedarf reduzieren und die mögliche Einschalthäufigkeit erhöhen. Unnötige Wärmebelastungen des Triebsystems werden durch die angepasste Einschaltdauer vermieden, wodurch sich die Lebensdauer des Triebsystems und seiner Komponenten erhöht.
  • Das elektromagnetische Triebsystem ist beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Anker als mechanisches System. Das elektromagnetische Triebsystem ist insbesondere ein Zugmagnet. In einer Ausgestaltung ist das elektromagnetischen Triebsystem, insbesondere der Zugmagnet, in einem Schutzschalter, beispielsweise einem Schutzschalter eines Batteriemanagementsystems, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, angeordnet.
  • Die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems ist beispielsweise die Temperatur des magnetischen Systems des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere die in den Wicklungen einer Spule des magnetischen Systems vorliegende Temperatur.
  • Die Umgebungstemperatur ϑa ist beispielsweise die Temperatur in einer Umgebung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems. Beispielsweise ist die Umgebungstemperatur ϑa die in einer dem elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere dem magnetischen Systems des Triebsystems, vor- oder nachgesschalteten elektrischen Komponente auftretende Temperatur.
  • Die Steuerspannung UB ist in einer Ausgestaltung die von einer Batterie, insbesondere einer Batterie eines Schienenfahrzeugs, zur Verfügung gestellte Betriebsspannung.
  • Insbesondere weist die Steuerschatung eine Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungschaltung weist bevorzugt ein Eingangsfilter auf.
  • In einer Ausgestaltung ist die Ansteuerstufe ausgebildet, das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung UB zum Schalten des mechanischen Systems zu bestromen. Insbesondere erfolgt eine Beaufschlagung des magnetischen Systems der elektromagnetischen Triebsystems mit der Steuerspannung UB. Die Ansteuerstufe ist beispielsweise mit der Steuerspannungsquelle zur Erzeugung der Steuerspannung UB, insbesondere der Batterie eines Schienenfahrzeugs, verbunden.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist die Steuerschaltung ausgebildet, als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δtn zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems zu setzen. Die Einschaltdauer Δtn ist die Zeitspanne, während der die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems, insbesondere des magnetischen Systems des Triebsystems, mit einer Spannung, insbesondere der Steuerspannung UB, erfolgt.
  • Die Einschaltdauer Δtn wird gemäß dieser Ausgestaltung in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert, somit insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder der Umgebungstemperatur ϑa und der Steuerspannung UB gewählt. Während bei einer Zeitsteuerung für die Beaufschlagung des Triebsystems die maximale Zeitdauer gewählt werden muss, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, beispielsweise einen sicheren Anzug, des Triebsystems im gesamten Temperatur- und Steuerspannungsbereich zu gewährleisten, ermöglicht die Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung eine Anpassung der Einschaltdauer Δtn an den Energiebedarf des Triebsystems bei gegebener, erfasster Temperatur ϑc bzw. ϑa und Steuerspannung UB. Die so bestimmte Einschaltdauer Δtn ist immer kürzer oder gleich der maximalen Zeitdauer, die für eine Zeitsteuerung verwendet werden muss. Die Einschaltdauer Δtn ist beispielsweise die minimale Zeitdauer, die notwendig ist, um eine sichere Auslösung, insbesondere einen sicheren Anzug, des Triebsystems zu gewährleisten. In einer Ausgestaltung umfasst die Einschaltdauer Δtn ein Sicherheitsintervall ts.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerschaltung eine Verknüpfungsschaltung auf, wobei die Verknüpfungsschaltung den Ansteuerparameter anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Insbesondere wird der Ansteuerparameter in Abhängigkeit vom ersten und zweiten Kennwert so gewählt, dass die sichere Auslösung, insbesonder der sichere Anzug, des elektromagnetischen Triebsystems gewährleistet ist. Das Kennlinienfeld weist insbesondere eine Charakteristik auf, die den Zeitpunkt der Auslösung, insbesondere des sicheren Anzugs, des Triebsystems kennzeichnet.
  • Das Kennlinienfeld beschreibt beispielsweise den zeitlichen Verlauf der Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑa einerseits und der Steuerspannung UB andererseits. Als Kennlinienfeld kann auch der zeitliche Verlauf des Stroms IZM am elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑa einerseits und der Steuerspannung UB andererseits verwendet werden.
  • Durch Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems mit einer Steuerspannung entsteht am elektrischen Triebsystem eine Spannung UZM und ein Strom IZM. Der zeitliche Verlauf der Spannung UZM am bzw. des Stroms IZM im elektromagnetischen Triebsystem ist von der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems bzw. der Umgebungstemperatur ϑa und der angelegten Steuerspannung UB abhängig. Die Spannung UZM am bzw. der Strom IZM im elektromagnetischen Triebsystem in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur ϑc bzw. ϑa und Steuerspannung UB definiert ein dreidimensionales Kennlinienfeld. Für eine bestimmte, erfasste Temperatur ϑc bzw. ϑa und eine bestimmte, erfasste Steuerspannung UB ist die Spannung UZM am bzw. der Strom IZM im elektromagnetischen Triebsystem eine Funktion der Zeit.
  • Das elektromagnetische Triebsystem löst aus, wenn die Anzugkraft des elektromagnetischen Triebsystems erreicht wird. Der der Anzugkraft entsprechende Wert der Spannung UZM am Triebsystem bzw. der der Anzugskraft entsprechende Wert des Stroms IZM ist der Anzugswert. In einer Ausgestaltung ist die Einschaltdauer Δtn der dem Anzugswert auf einer durch die erfasste Temperatur und die erfasste Steuerspannung definierten Kennlinie zugeordnete Zeitwert.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung gibt die Verknüpfungsschaltung ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δtn aus. Gemäß einer Ausgestaltung weist die Steuerschaltung eine Sollwertaufbereitungsstufe zur Erzeugung einer angepassten Spannung UtSoll zur Weiterleitung an die Ansteuerstufe auf, wobei der Sollwertaufbereitungsstufe das in der Verknüpfungsschaltung erzeugte Spannungsäquivalent zugeleitet wird.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Temperaturerfassungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung verbunden und weist einen Temperatursensor zum Messen des eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts auf. Der Temperatursensor ermöglicht die Bestimmung des die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa kennzeichnenden ersten Kennwerts. Der Temperatursensor ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem verbunden und weist beispielsweise einen Heißleiter, insbesondere einen NTC-Widerstand (negative temperature coefficient thermistor, NTC), auf. Somit ist eine direkte Erfassung des die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts durch den Widerstand des Heißleiters, insbesondere des NTC-Widerstands, möglich.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung angeordnet, wobei die Temperaturerfassungsschaltung eine Schaltung zur Berechnung des eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts anhand eines elektrischen Widerstands des elektromagnetischen Triebsystems aufweist.
  • Somit kann auf einen Temperatursensor verzichtet werden. Dies minimiert etwaige Störsignale oder sonstige mit dem Temperatursensor verbundene Fehlerquellen sowie zeitliche Verzögerungen. Der die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigende erste Kennwert wird durch die Verknüpfungsschaltung direkt bestimmmt.
  • Beispielsweise erfolgt die Berechnung unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands des Materials des magnetischen Systems des Triebsystems, insbesondere des Materials der Wicklungen des magnetischen Systems. Insbesondere erfolgt die Berechnung des ersten Kennwerts unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Temperaturerfassungsschaltung einen Riemannintegrator zur Integration der Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem und des Stroms IZM im elektromagnetischen Triebsystem auf. Der Riemannintegrator weist in einer Ausgestaltung einen Analogschalter in Zweifachausführung auf, dem der im elektromagnetischen Triebsystem anliegende Strom und die am elektromagnetischen Triebsystem anliegende Spannung zugeführt werden. Der Analogschalter ist mit einer monostabilen Kippstufe verbunden. Die monostabile Kippstufe gibt das Integrationsintervall vor. Weiterhin weist der Riemannintegrator beispielsweise einen als Divisor betriebenen Operationsverstärker und eine nachgeschaltete Multiplikatorstufe zur Bildung des Quotienten aus Spannung und Strom auf.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Sollwertaufbereitungsstufe eine Abtast-Halte-Schaltung auf. Die Sollwertaufbereitung weist beispielsweise weiter einen Negator auf. Der Negator verbindet die monostabile Kippstufe des Riemannintegrators mit dem Steuereingang der Abtast-Halte-Schaltung. Der Abtast-Halte-Schaltung ist in einer Ausgestaltung ein Spannungsteiler nachgeschaltet. Der Spannungsteiler leitet ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer der Ansteuerstufe zu.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Ansteuerstufe eine Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM-Schaltung) mit einer monostabiler Kippstufe auf, wobei ein Steuereingang der monostabilen Kippstufe mit der Steuerschaltung verbunden ist und ein Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist. Die monostabile Kippstufe stellt somit eine Einschaltzeitbegrenzung dar. Die Pulsdauer der PWM-Schaltung wird mittels der monostabilen Kippstufe durch die von der Steuerschaltung ausgegebenen Spannung bestimmt und entspricht der Einschaltdauer Δtn.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schaltungsanordnung eine Leistungsstufe auf und die Ansteuerstufe eine Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe auf.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuerschaltung und die Pulsweitenmodulationsschaltung als Microcontrollerschaltung ausgeführt. Dies ermöglicht eine kompakte Umsetzung sowie einen schnellen und kompakten Einbau der Schaltungsanordnung mit geringem Verdrahtungsaufwand. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung und PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe als Microcontrollerschaltung ausgeführt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Steuerschaltung, die Pulsweitenmodulationsschaltung und die Treiberschaltung zur Ansteuerung der Leistungsstufe in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in einem Hybridschaltkreis angeordnet. Insbesondere sind die Schaltungsteile Spannungserfassungsschaltung, Riemannintegrator, Abtast-Halte-Schaltung, PWM-Schaltung mit monostabiler Kippstufe und die Treiberschlatung der Leistungsstufe in einer ASIC oder in einem Hybridschaltkreis vereint.
  • Gemäß einer Ausgestaltung weist die Leistungsstufe einen Ausgangsgleichrichter, insbesondere mit Glättung, auf. Somit wird das elektromagnetische Triebsystem mit Gleichspannung beaufschlagt. Die Leistungsstufe weist in einer Ausgestaltung einen Leistungstransistor und einen Übertrager auf.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
  • Bei einem solchen Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems zum Schalten eines mechanischen Systems mit einer Schaltungsanordnung nach der vorangehend beschriebenen Art wird durch die Steuerschaltung ein eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigender erster Kennwert und ein die Steuerspannung UB anzeigender zweiter Kennwert erfasst und durch die Steuerschaltung zumindest ein Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert gesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren setzt die Vorteile der Schaltungsanordnung auf Verfahrensebene um. Insbesondere wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem ein elektromagnetisches Triebsystem energieoptimiert betrieben wird.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird das Triebsystem durch Anlegen der Steuerspannung UB zum Schalten des mechanischen Systems durch die Ansteuerstufe bestromt.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Steuerschaltung als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer Δtn zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems gesetzt.
  • Dabei wird die Einschaltdauer Δtn insbesondere so gewählt, dass eine Auslösung des Triebsystems, insbesondere der Anzugswert, innerhalb der Einschaltdauer Δtn erreicht wird. Der Anzugswert ist abhängig von der Temperatur des Triebsystems ϑc bzw. der Umgebungstemperatur ϑa und der Steuerspannung UB. Die Einschaltdauer Δtn wird bevorzugt minimal gewählt. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb. Bevorzugt weist die Einschaltdauer Δtn ein Sicherheitsintervall ts auf. Das Sicherheitsintervall ts stellt eine zuverlässige Auslösung des Triebsystems innerhalb der Mess- und Schaltungstoleranzen sicher.
  • Gemäß einer Ausgestaltung wird die Einschaltdauer Δtn unter Berücksichtigung eines Endlagenkriteriums mittels des dreidimensionalen Kennlinienfeld der Spannung UZM am oder des Stroms IZM im elektromagnetischen Triebsystem als Funktion der Steuerspannung UB, der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑa und der Zeit bestimmt.
  • Bevorzugt ist der Anzugswert durch ein Endlagenkriterium des zeitlichen Verlaufs der Spannung UZM am oder des Stroms IZM im Triebsystem bei einer bestimmten, erfassten Temperatur ϑc des Triebsystems bzw. einer bestimmten, erfassten Umgebungstemperatur ϑa des Triebsystems und einer bestimmten, erfassten Steuerspannung UB definiert. Bevorzugt ist der Anzugswert durch eine Spannungsspitze des zeitlichen Verlaufs der Spannung UZM am Triebsystem definiert. Der Anzugswert kann auch durch einen Stromeinbruch des zeitlichen Verlaufs des Stroms IZM im Triebsystem definiert werden.
  • Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Kennlinienfeld der Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Steuerspannung UB als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Umgebungstemperatur ϑa;
    Fig. 2
    ein Kennlinienfeld der Spannung UZM am und des Stroms IZM im elektromagnetischen Triebsystem bei festgehaltener Umgebungstemperatur ϑa als Funktion der Zeit t für verschiedene Werte der Steuerspannung UB;
    Fig. 3
    ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
    Fig. 4
    ein Prinzipalschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung; und
    Fig. 5
    eine schematische Darstellung der Bestimmung des Widerstands RZM des elektromagnetischen Triebsystems.
  • Fig. 1 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 bei festgehaltener Steuerspannung UB als Funktion der Zeit t. Die Spannung UZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 hängt von der Steuerspannung UB, der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems 41 bzw. der Umgebungstemperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems 41 und der seit dem Einschaltmoment to verstrichenen Zeitdauer ab. Im folgenden ist der Nullpunkt als Einschaltmoment gewählt: to=0. Dieses dreidimensionale Kennlinienfeld ist zur Veranschaulichung als zwei-dimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Steuerspannung UB in Fig. 1 und als zweidimensionales Kennlinienfeld für eine festgehaltene Umgebungstemperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems in Fig. 2 dargestellt.
  • Das elektromagnetischen Triebsystem 41 weist ein Magnetsystem, insbesondere eine Spule mit Kern, und ein mechanisches System 6, insbesondere einen Anker, auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet 41. Der Zugmagnet 41 wird mit einer Steuerspannung UB beaufschlagt. Dabei ist to der Zeitpunkt des Einschaltens der Steuerspannung UB. Die Beaufschlagung mit der Steuerspannung UB führt zu einem Anstieg der Spannung UZM am Zugmagneten 41. Die magnetische Kraft auf den Anker nimmt zu. Beim Endanschlag des Ankers des Zugmagneten 41 kommt es zu einer Spannungsspitze Z.
  • Im vorliegenden Diagramm ist der Verlauf der Spannung UZM am Zugmagneten 41 für drei verschiedene Umgebungstemperaturwerte gezeigt: die maximale Umgebungstemperatur damax, die Nenntemperatur ϑaNenn und die minimale Umgebungstemperatur ϑamin. Der Endanschlag des Ankers muss über den gesamten Funktionstemperaturbereich von ϑa=ϑamin bis ϑa=ϑamax gewährleistet sein.
  • Der zeitliche Verlauf der Spannung UZM weist im Zeitpunkt des Anschlags TAnschl ein Maximum auf. Die Anschlagszeit TAnschl ist bei festgehaltener Steuerspannung UB eine Funktion der Umgebungstemperatur ϑa. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑa, desto größer die Anschlagszeit TAnschl : es wird mehr Zeit benötigt, um dem Zugmagneten 41 die zur Auslösung notwendige Energie zuzuführen. Ursache hierfür sind die veränderten magnetischen Eigenschaften des Zugmagneten 41 und die erhöhte Gleitreibung des Ankers des Zugmagneten 41 bei geringerer Temperatur ϑa.
  • Das Ende des Anschlagvorgangs tn ist mit dem Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z erreicht. Dabei bezeichnet t1 das Ende des Anschlagvorgangs bei maximaler Umgebungstemperatur damax, t2 das Ende des Anschlagvorgangs bei Nenntemperatur ϑaNenn und t3 das Ende des Anschlagsvorgangs bei minimaler Umgebungstemperatur ϑamin. Dabei ist das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t1 kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t2, das wiederum kleiner als das Zeitintervall von Einschaltmoment to bis Ende des Anschlagvorgangs t3 ist. Je niedriger die Umgebungstemperatur ϑa desto größer die Zeitdauer tn bis zum Ende des Anschlagvorgangs.
  • Das Ende des Anschlagvorgangs und das damit einhergehende Abfallen der Flanke der Spannungsspitze Z stellen ein Endlagenkriterium für das Erreichen der Endlage des Zugmagneten 41 dar. Die Einschaltdauer Δtn wird durch das Endlagenkriterium bestimmt. Bevorzugt wird eine Sicherheitsintervall ts zum Zeitpunkt tn des Endes des Anschlagvorgangs addiert. Das resultierende Zeitintervall tn+ts ist die Einschaltdauer Δtn= tn+ts. Die Einschaltdauer Δt ist die Zeitdauer, die der Zugmagnet 41 mit der Steuerspannung UB bei der Umgebungstemperatur ϑa beaufschlagt werden muss, damit das Erreichen der Endlage sichergestellt ist.
  • Wäre die Umgebungstemperatur ϑa nicht bekannt, müsste die Beaufschlagung mit der Steuerspannung UB mindestens für die Zeitdauer t3+ts erfolgen, um das Erreichen der Endlage über den gesamten Temperaturbereich zwischen minimaler und maximaler Umgebungstemperatur ϑamin bis ϑamax zu gewährleisten. Durch die Bestimmung der Einschaltdauer Δtn in Abhängigkeit sowohl von der Steuerspannung UB als auch der Umgebungstemperatur ϑa wird die Beaufschlagungszeit verringert.
  • Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41 auch für Tieftemperaturanwendungen, wie beispielsweise Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, deren erforderlicher Funktionstemperaturbereich zwischen -60°C und 85°C liegt.
  • Fig. 2 zeigt das Kennlinienfeld der Spannung UZM und des Stroms IZM des elektromagnetischen Triebsystems 41 bei festgehaltener Umgebungstemperatur ϑa als Funktion der Zeit t in Abhängigkeit von der Steuerspannung UB.
  • Der zeitliche Verlauf der Spannung UZM am Triebsystem 41 ist für drei verschiedene Steuerspannungen UB dargestellt: die maximale Steuerspannung UBmax, die Nennspannung UBNenn und die minimale Steuerspannung UBmin. Das sichere Erreichen der Endlage muss über den gesamten Steuerspannungsbereich von UB=UBmin bis UB=UBmax gewährleistet sein.
  • Je größer die Steuerspannung UB, desto schneller wird die Endlage erreicht. Die Endlage ist durch eine Spannungsspitze Z gekennzeichnet. Die Einschaltdauer Δtn ergibt sich aus der Zeit tn, zu der die Flanke der Spannungsspitze Z abgefallen ist, zuzüglich eines Sicherheitsintervalls ts.
  • Wäre der Wert der Steuerspannung UB nicht bekannt, müsste als Zeitdauer der Beaufschlagung des Zugmagneten 41 die längste Zeitdauer gewählt werden, d.h. die Zeitdauer t3+ts, die für eine Beaufschlagung mit der minimalen Steuerspannung UBmin zum Erreichen der Endlage notwendig ist.
  • Die Bestimmung der Einschaltdauer Δtn in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ϑa und der Steuerspannung UB ermöglicht eine Verringerung der Dauer der Beaufschlagung des Triebsystems 41. Dies ermöglicht einen energieoptimierten Betrieb des Triebsystems 41, insbesondere für Steuerspannungsquellen mit einem weiten Spannungsbereich, wie beispielsweise für Batterieschutzschalter von Schienenfahrzeugen, bei denen der sichere Anzug in einem weiten Spannungsbereich von 65V bis 150V gewährleistet sein muss, wobei die Nennsteuerspannung der Batterie 110V beträgt.
  • In Fig. 3 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elektromagnetische Triebsystem 41 ein Zugmagnet eines Batterieschutzschalters, bevorzugt eines Batteriemanagementsystems in einem Schienenfahrzeug, beispielsweise ein Batterieschutzschalter des Typs BMR-437-01-V-S0-07-110-200A.
  • Das elektromagnetische Triebsystem 41 weist ein thermisch abhängiges Anzugverhalten auf. Das Anzugverhalten ist in Fig. 1 und Fig. 2 qualitativ dargestellt. Das Anzugverhalten ist von der Umgebungstemperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems 41, der Steuerspannung UB und der Beaufschlagungsdauer abhängig. Anstelle der Umgebungstemperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems 41 kann auch die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems 41 als Referenzwert verwandt werden.
  • Für einen Batterieschutzschalter, insbesondere eines Batteriemanagementsystems eines Schienenfahrzeugs, muss der sichere Anzug des elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere des Zugmagneten, in einem weiten Spannungsbereich UB von UBmin=65V bis UBmax=150V sichergestellt sein. Die Nennbatteriespannung UBNenn beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel UBNenn=110V. Der erforderliche Funktionstemperaturbereich beträgt -60°C bis 85°C. Das heisst, der sichere Anzug muss im gesamten Intervall von ϑamin=-60°C bis ϑamax=85°C gewährleistet sein.
  • Ein einfaches elektromagnetisches Triebsystem 41 ohne Vorschaltgerät kann einen sicheren Anzug in einem solch weiten Steuerspannungsbereich UB nicht gewährleisten. Auch ist der sichere Anzug bei tiefen Temperaturen ϑa ohne Vorschaltgerät nicht gewährleistet. Bei tiefen Temperaturen ϑa verändert sich das Magnetsystem des elektromagnetischen Triebsystems 41, so dass längere Beaufschlagungszeiten notwendig werden, um den sicheren Anzug zu gewährleisten. Beispielsweise verändern sich die magnetischen Eigenschaften und die Gleiteigenschaften des Ankers. Dem Magnetsystem muss bei tieferen Temperaturen ϑa mehr Energie zugeführt werden, um den Anzug auszulösen.
  • Zur Gewährleistung des sicheren Anzugs auch bei tiefen Temperaturen ϑa und bei einem weiten Steuerspannungsbereich UB ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen. Diese Schaltungsanordnung stellt sicher, dass sowohl bei tiefen Temperaturen ϑa, Fig. 1 , als auch bei niedriger Steuerspannung UB, Fig. 2 , der Anzug gewährleistet ist, d.h. genügend Zeit zur Verfügung steht, um die notwendige Energie zuzuführen.
  • Die Schaltungsanordnung weist deshalb eine Steuerschaltung 1 auf, die der Ansteuerstufe 2 zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems 41 anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert setzt. Der erste Kennwert zeigt eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa an. Der zweite Kennwert zeigt die Steuerspannung UB an. Insbesondere umfasst der zumindest eine Ansteuerparameter die Einschaltdauer Δtn. Die Steuerschaltung 1 und die Ansteuerstufe 2 werden mittels einer Stromversorgung 5 mit einer Steuerstromversorgungsspannung Us, vorliegend mit Us=15VDC, gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Steuerstromversorgungsspannung Us gekennzeichnet.
  • Die Schaltungsanordnung weist eine Temperaturfassungsschaltung zur Erfassung des die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Temperaturerfassungsschaltung einen Temperatursensor 42, bevorzugt einen Heissleiter oder NTC-Widerstand. Der Temperatursensor 42 ist mit dem elektromagnetischen Triebsystem 41, insbesondere der Spule des Zugmagneten 41, thermisch gekoppelt.
  • Des weiteren weist die Steuerschaltung 1 eine Spannungserfassungsschaltung 11 zur Erfassung des die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwerts auf. Die Spannungserfassungsschaltung 11 erfasst beispielsweise die eingehende Steuerspannung UB über ein Eingangsfilter.
  • Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Verknüpfungsschaltung 12 zur Verknüpfung des ersten Kennwertes und des zweiten Kennwertes auf, wobei die Verknüpfungsschaltung 12 den Ansteuerparameter, insbesondere die Einschaltdauer Δtn, anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen ersten und einen zweiten Eingang auf, wobei der erste Eingang mit einem Ausgang der Spannungserfassungschaltung 11 verbunden ist und wobei der zweite Eingang mit einem Ausgang der Temperaturerfassungsschaltung, insbesondere dem Temperatursensor 42, verbunden ist.
  • Die Verknüpfungsschaltung 12 bestimmt die Einschaltdauer Δtn unter Berücksichtigung des Kennlinienfelds des zeitlichen Verlaufs der Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem 41 in Abhängigkeit von der Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems oder der Umgebungstemperatur ϑa einerseits und der Steuerspannung UB andererseits. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist einen Ausgang zur Ausgabe eines Spannungsäquivalents der so bestimmten Einschaltdauer Δtn auf.
  • Die Steuerschaltung 1 weist außerdem eine Sollwertaufbereitung 13 zur Erzeugung einer angepassten Spannung Utsoll auf. Ein Eingang der Sollwertaufbereitung 13 ist mit der Verknüpfungsschaltung 12 verbunden. Die Sollwertaufbereitung 13 erzeugt die angepasste Spannung Utsoll aus dem von der Verknüpfungsschaltung 12 empfangenen Spannungsäquivalent der Einschaltdauer Δtn.
  • Die Steuerschaltung 1 ist mit der Ansteuerstufe 2 verbunden und stellt dieser den Ansteuerparameter, d.h. insbesondere die unter Berücksichtigung des die Temperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑc anzeigenden ersten Kennwerts und des die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwerts bestimmte Einschaltdauer Δtn, bereit.
  • Die Steuerschaltung 1 leitet der Ansteuerstufe 2 die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung Utsoll zu.
  • Dargestellt ist eine Ansteuerstufe 2 mit PWM-Schaltung 21 und einer Treiberschaltung 22 für eine nachgeschaltete Leistungsstufe 3. Die PWM-Schaltung 21 weist eine monostabile Kippstufe 211 auf, mittels derer die in der Sollwertaufbereitung 13 erzeugte angepasste Spannung Utsoll in ein Einschaltintervall tsoii der PWM-Schaltung 21 umgewandelt wird. Die Impulse der PWM-Schaltung werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass das elektromagnetische Triebsystem 41 beaufschlagt wird.
  • Die Leistungsstufe 3 weist einen Ausgangsgleichrichter 33 mit Glättung auf, so dass die Beaufschlagung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit Gleichspannung erfolgt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Leistungsstufe 3 einen Leistungstransistor 31 und einen Übertrager 32 auf.
  • Durch die Speisung des elektromagnetischen Triebsystems 41 mit einer Gleichspannung wird die Störaussendung, insbesondere bei längeren Verbindungsleitungen zwischen der Schaltungsanordnung und dem elektromagnetischen Triebsystems 41, verringert.
  • Die Schaltungsanordnung ist ferner mit einer Stromregelung ausgestattet. Über den Shuntwiderstand Rsh wird der Hauptstrom im Leistungskreis 3 erfasst und der Spannungserfassungsschaltung 11 zugeführt.
  • Somit wird eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, zur Verfügung gestellt, die einen energieoptimierten Betrieb ermöglicht.
  • In Fig. 4 ist ein Prinzipalschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen Triebsystems 41, insbesondere eines Zugmagneten 41 eines Batterieschutzschalters, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dargestellt.
  • Gemäß der dargestellten Ausgestaltung ist eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung 12 angeordnet, insbesondere erfolgen Verknüpfung und Temperaturerfassung in einer Schaltung. Die Temperaturerfassungsschaltung bestimmt den die Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems 41 und/oder die Umgebungstemperatur ϑa des elektromagnetischen Triebsystems 41 anzeigenden ersten Kennwert mittels eines analogen Berechnungsverfahrens und verknüpft diesen mit dem mittels der Spannungserfassungsschaltung 11 erfassten die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwert.
  • In der dargestellten Ausführungsform werden die Spannung UZM am elektromagnetischen Triebsystem 4 und der Strom IZM im elektromagnetischen Triebsystem 41 über die Erfassungsschaltung 11 erfasst. Die Erfassungsschaltung 11 weist ein Eingangsfilter für UB und die am Shuntwiderstand Rsh abfallende Spannung URsh auf. Bevorzugt ist das Eingangsfilter auf 500Hz eingestellt. Die Erfassungsschaltung 11 weist eine Einheit 111 zur Potentialtrennung, insbesondere einen Optokoppler z.B. des Typs CNY17-4, auf, dem die Spannung UzM zugeführt wird. Die Filterung von UzM und IZM bzw. URSH erfolgt beispielsweise mit einem Filter des Typs LMC 6482.
  • Die Ausgangssignale der Erfassungschaltung 11, insbesondere des Eingangsfilters, werden der Verknüpfungsschaltung 12 zugeführt. Die Verknüpfungsschaltung 12 weist in der dargestellten Ausführungsform einen Riemannintegrator auf. Im Riemannintegrator werden die Spannung UZM am Zugmagneten 41 und der Strom IZM im Zugmagneten 41 für ein Integrationsintervall tR gemessen und eine äquivalente Spannung durch Quotientenbildung aus UZM und IZM bzw. URSh gebildet. Das Integrationsintervall tR wird durch einen Analogschalter 121 in Zweifachausführung, der durch eine monostabile Kippstufe 122 angesteuert wird, definiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Analogschalter 121 beispielsweise vom Typ MAX 320 MJA und die monostabile Kippstufe vom Typ NE 555 FE. Das Stromsignal IZM bzw. URSh wird über einen Widerstand R1, beispielsweise R1=10kΩ, einem Operationsverstärker 123 für die Division zugeführt. Der Operationsverstärker 123 ist beispielsweise vom Typ AD 711. In der Multiplikatorstufe 124 wird das Produkt aus Spannungssignal UZM und inversem Strom 1/IZM, d.h. der Quotient aus Spannung UZM und Strom IZM gebildet.
  • Das Integrationsintervall tR ist dabei sehr viel kleiner gewählt als die minimale Einschaltdauer Δtmin=tmin+ts. Hierdurch wird sichergestellt, dass die minimale Einschaltdauer Δtmin=tmin+ts durch die Erzeugung des Spannungsäquivalents bzw. der angepassten Spannung Utsoll zur Ansteuerung der Ansteuerstufe 2, insbesondere der PWM-Schaltung 21, nicht beeinflusst wird.
  • Der Quotient wird der Sollwertaufbereitung 13 zugeleitet. Die Sollwertaufbereitung 13 weist einen Abtast-Halte-Schaltkreis 132 auf. Der Abtast-Halte-Schaltkreis 132 wird über die monostabile Kippstufe 122 als Zeitgeber geschaltet. Dazu wird das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 122 einem Negator 131 zugeleitet, der mit dem Steuereingang des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 wird durch einen Spannungsteiler mit Widerständen R3, R4 mit dem In2 verknüpft.
  • Für kleine tR, d.h. kurz nach dem Einschaltmoment to=0, steigen sowohl Spannung UZM als auch Strom IZM am Zugmagneten 41 exponentiell an, siehe Fig. 5 . Aufgrund des exponentiellen Charakters der Spannungs- bzw. Stromkennlinie UZM, IZM im Kleinsignalbereich kann das Riemannintegral mit dem Logarithmus von 2, In2≈0,693, verknüpft werden. Die Spule des Zugmagneten 41 ist aus einer Kupferleitung gewickelt. Der Widerstand des Zugmagneten RZM lässt sich somit unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstands von Kupfer, gegeben für die entsprechende Temperatur, bestimmen zu: RZM=[UZM/IZM]·In2.
  • Die Ausgangsspannung des Abtast-Halte-Schaltkreises 132 liegt, je nach errechnetem Wert, zwischen 0 und 10VDC, so dass durch das Spannungsteilerverhältnis R3/R4 die ausgegebene angepasste Spannung Utsoll quasi normiert hergeleitet wird.
  • Die so erzeugte angepasste Spannung Utsoll gelangt auf den Eingang 211 zur Zeitsteuerung der PWM-Schaltung 21. Mit der Vorsteuerung durch UB, welche über den Eingang 212 an die PWM-Schaltung 21 gelangt, bestimmt die angepasste Spannung Utsoll die Einschaltdauer Δtn entsprechend der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Kennlinienfelder.
  • Die Impulse der PWM-Schaltung 21 werden über die Treiberschaltung 22 der Leistungsstufe 3 zugeleitet, so dass der Zugmagnet 41 beaufschlagt wird.
  • Die Steuerschaltung 1 sowie die Ansteuerstufe 2 werden durch die Stromversorgung 5 mit 15VDC gespeist. Die Stromversorgung 5 ist durch einen schnellen Aufbau der Versorgungsspannung Us im Einschaltmoment to gekennzeichnet.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1
    Steuerschaltung
    11
    Spannungserfassungsschaltung zur Erfassung des die Steuerspannung UB anzeigenden zweiten Kennwerts
    111
    Potentialtrennung mit Optokoppler
    112
    Eingangsfilter
    12
    Verknüpfungsschaltung zur Verknüpfung Steuerspannung UB und Temperatur ϑa,ϑc
    121
    Analogschalter in Zweifachausführung
    122
    monostabile Kippstufe (Monoflop)
    123
    Operationsverstärkerstufe für Division
    124
    Multiplikatorstufe
    13
    Sollwertaufbereitung
    131
    Negator
    132
    Abstast-und-Halte-Schaltkreis
    2
    Ansteuerstufe
    21
    Pulsweitenmodulations-Schaltung mit monostabiler Kippstufe
    211
    Eingang für Einschaltdauer Δt
    212
    Eingang für Vorsteuerung durch Steuerspannung UB
    213
    Eingang für Stromregelung
    22
    Treiberschaltung für Leistungsstufe
    3
    Leistungsstufe
    31
    Leistungstransistor
    32
    Übertrager T1
    33
    Ausgangsgleichrichtung mit Glättung
    41
    elektromagnetisches Triebsystem
    42
    Temperatursensor
    5
    Steuerstromversorgung
    6
    mechanisches System
    Us
    Steuerstromversorgungsspannung
    UB
    Steuerspannung, Batteriespannung
    UZM
    Spannung am elektromagnetischen Triebsystem
    IZM
    Strom im elektromagnetischen Triebsystem
    Rsh
    Shuntwiderstand (0,1Ω), induktivitätsarm
    R1
    Widerstand (10kΩ)
    R2
    Widerstand (10kΩ)
    R3
    Widerstand (3,61kΩ)
    R4
    Widerstand (6,39kΩ)
    MB
    Minuspotential des Hauptstroms
    t
    Zeit
    to
    Einschaltzeitpunkt
    tR
    Integrationsintervall
    tn
    Zeitpunkt des Erreichens der Endlage
    ts
    Sicherheitsintervall
    Δtn
    Einschaltdauer
    A
    Endlage in Abhängigkeit von der Temperatur ϑa bei festgehaltener Steuerspannung UB
    B
    Endlage in Abhängigkeit von der Steuerspannung UB bei festgehaltener Temperatur ϑa
    Z
    Spannungsspitze im Anschlagszeitpunkt/Zeitpunkt des Erreichens der Endlage
    ϑa
    Umgebungstemperatur, insbesondere des elektromagnetischen Triebsystems
    ϑc
    Temperatur des elektromagnetischen Triebsystems

Claims (15)

  1. Schaltungsanordnung zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten eines mechanischen Systems (6), mit
    einer Steuerspannungsquelle zur Erzeugung einer Steuerspannung (UB),
    einer Ansteuerstufe (2) zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten des mechanischen Systems (6) während eines Schaltvorgangs und
    einer Steuerschaltung (1) zum Steuern der Ansteuerschaltung (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) ausgebildet ist, einen eine Temperatur (ϑc) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑa) anzeigenden ersten Kennwert und einen die Steuerspannung (UB) anzeigenden zweiten Kennwert zu erfassen und zumindest einen Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwerts zu setzen.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerstufe (2) ausgebildet ist, das Triebsystem (41) durch Anlegen der Steuerspannung (UB) zum Schalten des mechanischen Systems (6) zu bestromen.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) ausgebildet ist, als Ansteuerparameter eine Einschaltdauer (Δtn) zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) zu setzen.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) eine Verknüpfungsschaltung (12) aufweist, wobei die Verknüpfungsschaltung (12) den Ansteuerparameter anhand eines Kennlinienfelds in Abhängigkeit von dem ersten Kennwert und dem zweiten Kennwert setzt.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfungsschaltung (12) ein Spannungsäquivalent der Einschaltdauer (Δtn) ausgibt.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) eine Sollwertaufbereitungsstufe (13) zur Erzeugung einer angepassten Spannung (UtSoll) zur Weiterleitung an die Ansteuerstufe (2) aufweist, wobei der Sollwertaufbereitungsstufe (13) das in der Verknüpfungsschaltung (12) erzeugte Spannungsäquivalent zugeleitet wird.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungsschaltung mit der Verknüpfungsschaltung (12) verbunden ist und einen Temperatursensor (42) zum Messen des eine Temperatur (ϑc) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑa) anzeigenden ersten Kennwerts aufweist.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungsschaltung in der Verknüpfungsschaltung (12) angeordnet ist, wobei die Temperaturerfassungsschaltung eine Schaltung zur Berechnung zur Berechnung des eine Temperatur ϑc des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur ϑa anzeigenden ersten Kennwerts anhand eines elektrischen Widerstands (RZM) des elektromagnetischen Triebsystems (41) aufweist.
  9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungsschaltung einen Riemannintegrator zur Integration der Spannung (UZM) am elektromagnetischen Triebsystem (41) und des Stroms (IZM) im elektromagnetischen Triebsystem (41) aufweist.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertaufbereitungsstufe (13) eine Abtast-Halte-Schaltung (132) aufweist.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerstufe (2) eine Pulsweitenmodulationsschaltung (21) mit einer monostabiler Kippstufe aufweist, wobei ein Steuereingang (211) der monostabilen Kippstufe mit der Steuerschaltung (1) verbunden ist und ein Ausgang der monostabilen Kippstufe mit der Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden ist.
  12. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine Leistungsstufe (3) aufweist und die Ansteuerstufe (2) eine Treiberschaltung (22) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (3) aufweist.
  13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1) und die Pulsweitenmodulationsschaltung (21) als Microcontrollerschaltung ausgeführt sind.
  14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (1), die Pulsweitenmodulationsschaltung (21) und die Treiberschaltung (22) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (3) in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (application-specific integrated circuit, ASIC) oder in einem Hybridschaltkreis angeordnet sind.
  15. Verfahren zum Betätigen eines elektromagnetischen Triebsystems (41) zum Schalten eines mechanischen Systems (6) mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch die Steuerschaltung ein eine Temperatur (ϑc) des elektromagnetischen Triebsystems (41) und/oder eine Umgebungstemperatur (ϑa) anzeigender erster Kennwert und ein die Steuerspannung (UB) anzeigender zweiter Kennwert erfasst werden und durch die Steuerschaltung zumindest ein Ansteuerparameter zur Ansteuerung des elektromagnetischen Triebsystems (41) anhand des ersten Kennwerts und des zweiten Kennwert gesetzt wird.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0392058A1 (de) * 1989-04-13 1990-10-17 Siemens Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetishen Relais
US20010043450A1 (en) * 1997-06-26 2001-11-22 Venture Scientifics, Llc System and method for servo control of nonlinear electromagnetic actuators
WO2017093552A1 (de) 2015-12-04 2017-06-08 Pcs Power Converter Solutions Gmbh Schaltungsanordnung zum betrieb elektromagnetischer triebsysteme
EP3316274A1 (de) * 2016-10-28 2018-05-02 Samsung SDI Co., Ltd. Treiberschaltung zum betrieb eines relais
DE102018109594A1 (de) 2018-04-20 2019-10-24 Ellenberger & Poensgen Gmbh Batteriemanagementsystem, insbesondere für ein Schienenfahrzeug

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0392058A1 (de) * 1989-04-13 1990-10-17 Siemens Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung zur Ansteuerung mindestens eines elektromagnetishen Relais
US20010043450A1 (en) * 1997-06-26 2001-11-22 Venture Scientifics, Llc System and method for servo control of nonlinear electromagnetic actuators
WO2017093552A1 (de) 2015-12-04 2017-06-08 Pcs Power Converter Solutions Gmbh Schaltungsanordnung zum betrieb elektromagnetischer triebsysteme
EP3316274A1 (de) * 2016-10-28 2018-05-02 Samsung SDI Co., Ltd. Treiberschaltung zum betrieb eines relais
DE102018109594A1 (de) 2018-04-20 2019-10-24 Ellenberger & Poensgen Gmbh Batteriemanagementsystem, insbesondere für ein Schienenfahrzeug

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