EP4356411A1 - Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung - Google Patents

Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung

Info

Publication number
EP4356411A1
EP4356411A1 EP22751041.9A EP22751041A EP4356411A1 EP 4356411 A1 EP4356411 A1 EP 4356411A1 EP 22751041 A EP22751041 A EP 22751041A EP 4356411 A1 EP4356411 A1 EP 4356411A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
polarity
designed
switching
switching arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22751041.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin BINDRICH
Thomas HINTZE
Malte Georg Hirte
Stefan Lecheler
Detlef SCHWOPE
Mario Schäfer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4356411A1 publication Critical patent/EP4356411A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/28—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism
    • H01H33/38—Power arrangements internal to the switch for operating the driving mechanism using electromagnet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1811—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current demagnetising upon switching off, removing residual magnetism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32—Energising current supplied by semiconductor device

Definitions

  • the invention relates to a switching arrangement according to the preamble of claim 1 and a method for operating a switching arrangement according to the preamble of claim 12.
  • a switching device for medium voltage which has a vacuum switching device with an electromagnetic drive.
  • the magnetic drive can exert a magnetic force on a so-called anchor plate and attract it.
  • the movement of the anchor plate is mechanically converted into a movement for pressing the movable contact to the fixed contact inside
  • two magnetic coils are often used, which are either connected in parallel (e.g. for AC/DC in countries with 115 V mains voltage) or in series (e.g.
  • the contactor is designed for operation on a battery with an input voltage of DC: 24 V or DC: 48V rated.
  • the same coils are used, which with an input voltage of DC: 24 V in parallel and with DC:
  • the armature plate When switched on, the armature plate forms a magnetic circuit together with the iron core(s) of the magnetic coil(s). Since the magnetic coil(s) are usually operated with direct current, the magnetic flux in the armature does not change during the switch-on time. This leads to a magnetization of the anchor plate or the entire iron circuit.
  • a magnetized armature plate delays the switching off of the switch or contactor because the magnetic force through the Remanence of the iron material used remains in place even after the current through the magnetic coil(s) has been switched off. The return springs must first overcome this residual magnetic force before the armature plate detaches from the coil cores. Depending on the mechanical construction of the switch or contactor and the degree of magnetization, switch-off delays of an order of magnitude can occur that exceed the tolerance range of the switch or exceed contactor.
  • the switch or the contactor then no longer works within its specification or . the guaranteed properties.
  • a passive solution would be to use an armature material with a better (lower) remanence.
  • armature material with a better (lower) remanence.
  • such a material is considerably more expensive than the conventionally used, very inexpensive iron.
  • the object of the invention is to specify a switching arrangement that enables particularly fast switch-off times.
  • the invention solves this problem by a switching arrangement according to claim 1.
  • a magnetic drive is a at z. B.
  • Medium-voltage systems usual design for switching devices, in which a magnetic field is generated by one or more coils under voltage, which another ferromagnetic piece of metal, a z. B. metal plate called anchor plate , attracts .
  • This attraction causes a movement that is transmitted to a moving contact in the switching device and presses it onto the fixed contact.
  • two coils are used, which can be connected in parallel or in series. This has the advantage that the magnetic force can be kept approximately the same, even if the input voltage, as mentioned above, is different due to different nominal voltages of the power supply in different countries or in different applications for the coils fails.
  • the two coils of the magnetic drive exert an attractive force on the magnetic armature.
  • the transmission mechanism translates the movement of the magnet armature into a movement of the movable contact towards the fixed contact and has a toggle lever for this purpose, for example.
  • the magnetic drive has controllable switching devices for the coils.
  • a vacuum switching device within the meaning of the invention has, for example, a fluid-tight housing inside which there is a vacuum (or an extremely low gas pressure below 0.1% atmospheric pressure). If a moving contact is quickly pulled away from a fixed contact, e.g. by means of a spring force, an arc that occurs is quickly extinguished, e.g. because there is hardly any ionizable medium for a current flow. Vacuum switching devices are particularly well suited for switching alternating current because an arc always breaks off when the voltage crosses zero.
  • the invention is based on the approach of reversing or reversing the polarity of the coil current either with each switching operation or cyclically (depending on the control electronics used).
  • the "north-south" orientation of the magnetic field in the iron circuit (magnet armature and iron yoke of the coil(s)) is then reversed accordingly, so that no magnetization takes place. If the armature plate is not magnetized or only very slightly, the Turning off the coil current no longer magnetic force delaying turning off.
  • the polarity reversal device has controllable switching devices for the at least one coil.
  • controllable switching devices (16-19) have at least one of the following switching devices: MOSFET, IGBT, relay.
  • MOSFET is a metal-oxide-semiconductor field effect transistor and an IGBT is an insulated gate bipolar transistor.
  • a relay is a remote-controlled switch that is operated by electricity and usually has two switching positions. The relay is activated via a control circuit and can switch other circuits.
  • a first control device is designed to control the controllable switching devices each time the at least one coil is switched on in such a way that the polarity of the current flow is reversed.
  • the magnetic coils are controlled either by an electronic or mechanical switch (e.g. a relay).
  • An appropriately designed electronic circuit or other auxiliary device e.g. bistable relay ensures that the polarity of the coil current changes with each activation.
  • a control device has, for example, an electronic circuit or a data processor.
  • a microcontroller can be used.
  • each individual switch-on phase is short enough to not allow any significant magnetization of the armature plate.
  • switch-on phase does not refer to the period of time that the contactor requires for the state change from OFF to ON, but rather to the entire time in which the contactor is in the ON state. With 1000 switching cycles over the service life of the switching arrangement 1, approximately 1000 polarity reversals would result.
  • the first control device has a bistable relay.
  • a bistable relay is available, for example, from the website "Relais-Tipp - One and two-coil variants of bistable relays
  • controllable switching devices in the polarity reversing device are arranged in the manner of an H-bridge relative to the at least one coil.
  • An H-bridge also known as a bridge circuit, is e.g. B. common to switch an electric motor of a machine or vehicle in its direction of rotation. This is explained, for example, on the website "H-Bruecke - Die Andersherum-Schematic” (Link: http://dieelektroniker seite.de/Lections/H-Bruecke%20-%20Die%2OAndersherum-Schematic.htm).
  • a second control device is designed to control the controllable switching devices of the at least one coil in such a way that the current flow is reversed several times.
  • the demagnetization takes place during the switch-on phase. To do this, the coil current is reversed in quick succession.
  • the second control device is designed to provide a current pulse for each polarity reversal process by means of pulse width modulation in order to generate a time-decaying magnetic field in the at least one coil.
  • the second control device is designed to set a current strength and a duration of the current pulses such that the attractive force on the magnet armature is sufficient to press the movable contact onto the fixed contact.
  • the second control device is designed to carry out a polarity reversal of the at least one coil regularly.
  • the second control device is designed to reverse the polarity of the at least one coil at least once a day. This procedure can be used as often or be repeated if necessary.
  • the polarity reversal is preferably carried out at least once a month, even more preferably at least once a year.
  • a dependency on the number of switching operations carried out by the switching arrangement is also useful. For example, the polarity can be reversed every 10, preferably every 100, switching operations.
  • a third control device is designed to use a magnetic model to determine whether a magnetization of an iron circuit exceeds a previously specified magnetization limit value, and to reverse the polarity of the current flow if the magnetization limit value is exceeded.
  • a magnetic model takes into account, for example, one or more of the following aspects: current strength, polarity of the current, duration of the energization, magnetic properties of the iron circuit used, geometric configuration of the iron circuit. The model can then automatically select the point in time from which the next switching operation of the contactor is carried out with a changed polarity if the magnetization limit value is exceeded.
  • the term iron circuit designates at least the magnet armature and an iron yoke of the coil(s), but can also include other magnetizable components.
  • the object of the invention is to specify a method for operating a switching arrangement that enables particularly fast switch-off times.
  • the invention solves this problem by a method according to claim 12 .
  • Preferred embodiments of the method according to the invention are explained in the dependent claims 13 to 15 . This results in the same advantages as explained above for the switching arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a switching arrangement 1 according to the invention.
  • the switching arrangement 1 has a vacuum switching device 8-14 with a housing 14 which is fluid-tight and evacuated 13 .
  • a movable contact 11 is pressed against a fixed contact 12 inside the housing 14 . This shows the closed state of the switch with the magnetic drive 2 , 4 switched on.
  • a switching rod 8 is connected through the housing 14 to the movable contact 11, where z. B. a bellows, not shown, ensures mobility.
  • a spring device 10 is provided for mechanically separating the contacts 11, 12, which is supported on a support plate 9 and is prestressed in the closed state shown.
  • the switching rod 8 is connected to a toggle lever 5-7, the first leg 6 and the second leg 5 being connected at an angle, but being rotatably mounted about the joint 7.
  • the second leg 5 is connected to an anchor plate 4 made of metal, e.g. B. iron, connected .
  • This transmission mechanism 5 - 7 translates a movement of the magnet armature 4 into a movement of the movable contact 11 towards the fixed contact 12 .
  • the magnetic drive 2 , 4 has at least one coil 2 which is connected to a polarity reversing device 15 by means of connecting lines 20 , 21 .
  • the polarity reversal device 15 has four controllable switching devices 31-34, e.g. B. IGBTs, for at least one coil 2 on.
  • the switching devices 31-34 are connected as an H-bridge, i . H .
  • one connecting line 20 is connected between two switching devices 31, 32 in a first branch 17, while the other connecting line 21 is connected between two switching devices 33, 32 in a second branch 23 of the circuit. Both branches 17 , 23 are connected by lines 19 .
  • a direct current source 16 is connected to lines 18 .
  • the polarity reversal device 15 is designed to reverse the polarity of a current flow through the at least one coil at least once a day.
  • a second control device 35 is connected to the polarity reversal device 15 in order to control the controllable switching devices 31-34 of the at least one coil 2 in such a way that the current flow is reversed in polarity several times.
  • a current pulse is provided for each polarity reversal process by means of pulse width modulation in order to generate a magnetic field which decays over time in the at least one coil.
  • Pole reversals can be carried out many dozens or hundreds of times in order to largely demagnetize the magnet armature. In this way, it is ensured that the switch-off times are not unnecessarily lengthened by magnetization of the armature. It is preferred to set the current intensity and the duration of the current pulses in such a way that the attractive force F on the magnet armature 4 is sufficient to press the movable contact 11 onto the fixed contact 12 . As a result, the switching arrangement 1 is held securely in the closed state even with regular polarity reversals of the current supply to the coil.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnets (AREA)
  • Relay Circuits (AREA)

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltanordnung (1), aufweisend eine Vakuumschalteinrichtung (8-14) mit einem beweglichen Kontakt (11) und einem Festkontakt (12), und einen Magnetantrieb (2,4) mit mindestens einer Spule (2), der ausgebildet ist, im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft (F) auf einen Magnetanker (4) auszuüben und diesen zu bewegen, und eine Übertragungsmechanik (5-7), die ausgebildet ist, eine Bewegung des Magnetankers (4) in eine Bewegung des beweglichen Kontakts (11) zum Festkontakt (12) hin zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umpolungseinrichtung (15) ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die mindestens eine Spule (2) umzupolen. Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Beschreibung
Schaltanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Schaltan-
Ordnung
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Aus der Betriebsanleitung „3TM Vakuum-Schütz 7,2 kV - 15 kV, 3-polig, 4,15 kV - 6,9 kV, 1-polig", Bestell-Nr. : 9229 0106 100 0, Siemens AG 2020, ist ein Schaltgerät für Mittelspannung bekannt, das eine Vakuumschalteinrichtung mit einem elektro-magnetischen Antrieb aufweist. Der Magnetantrieb kann dabei eine Magnetkraft auf eine sogenannte Ankerplatte ausüben und diese anziehen. Die Bewegung der Ankerplatte wird mechanisch in eine Bewegung zum Anpressen des beweglichen Kontakts an den Festkontakt innerhalb der Vakuumschalteinrichtung übersetzt. Bei diesem Gerät werden wie bei Magnetantrieben von Schaltern und Schützen häufig zwei Magnetspulen verwendet, die abhängig von der Höhe der Eingangsspannung entweder parallel (z. B. für AC/DC in Ländern mit 115 V Netzspannung) oder seriell (z. B. für AC/DC in Ländern mit 230 V Netzspannung) verschaltet werden müssen. In einer weiteren Ausführung ist das Schütz für den Betrieb z. B. an einer Batterie mit einer Eingangsspannung von DC: 24 V oder DC: 48 V ausgelegt. Auch hierbei werden gleiche Spulen verwendet, die bei einer Eingangsspannung von DC: 24 V parallel und bei DC:
48 V seriell verschaltet werden.
Im eingeschalteten Zustand bildet die Ankerplatte zusammen mit dem bzw. den Eisenkern ( en) der Magnetspule (n) einen magnetischen Kreis. Da die Magnetspule (n) üblicherweise mit Gleichstrom betrieben werden, ändert sich der Magnetfluss im Anker während der Einschaltzeit nicht. Das führt zu einer Magnetisierung der Ankerplatte bzw. des gesamten Eisenkreises. Eine magnetisierte Ankerplatte verzögert das Abschalten des Schalters oder Schützes, da die Magnetkraft durch die Remanenz des verwendeten Eisenmaterials auch nach dem Abschalten des Stromes durch die Magnetspule (n) bestehen bleibt . Die Rückhol federn müssen diese Restmagnetkraft erst überwinden, bevor sich die Ankerplatte von den Spulenkernen löst . Je nach mechanischer Konstruktion des Schalters bzw . Schützes und dem Grad der Magnetisierung können dadurch Ausschaltverzögerungen in einer Größenordnung auftreten, die den Toleranzbereich des Schalters bzw . Schützes überschreiten .
Der Schalter bzw . das Schütz arbeitet dann nicht mehr innerhalb seiner Spezi fikation bzw . den zugesicherten Eigenschaften .
Eine passive Lösung wäre es , ein Ankermaterial mit einer besseren ( geringeren) Remanenz einzusetzen . Ein solches Material ist aber erheblich teurer als das konventionell verwendete , sehr kostengünstige Eisen .
Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , eine Schaltanordnung anzugeben, die besonders schnelle Ausschaltzeiten ermöglicht .
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Schaltanordnung gemäß Anspruch 1 .
Ein Magnetantrieb ist eine bei z . B . Mittelspannungsanlagen übliche Bauweise für Schalteinrichtungen, bei der durch eine oder mehrere Spulen unter Spannung ein Magnetfeld erzeugt wird, das ein anderes ferromagnetisches Metallstück, eine z . B . Ankerplatte genannte Metallplatte , anzieht . Diese Anziehung bewirkt eine Bewegung, die auf einen beweglichen Kontakt in der Schalteinrichtung übertragen wird und diesen auf den Festkontakt presst . Typischerweise werden zwei Spulen eingesetzt , die parallel oder seriell schaltbar sind . Dies hat den Vorteil , dass die Magnetkraft annäherungsweise gleich gehalten werden kann, selbst wenn die Eingangsspannung wie eingangs erwähnt durch unterschiedliche Nennspannungen der Stromversorgung in unterschiedlichen Ländern oder bei unterschiedlichen Anwendungs fällen für die Spulen unterschiedlich ausfällt. Die beiden Spulen des Magnetantriebs üben im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft auf den Magnetanker aus. Die Übertragungsmechanik übersetzt die Bewegung des Magnetankers in eine Bewegung des beweglichen Kontakts zum Festkontakt hin und weist hierfür z.B. einen Kniehebel auf. Der Magnetantrieb weist steuerbare Schalteinrichtungen für die Spulen auf.
Eine Vakuumschalteinrichtung im Sinne der Erfindung weist z.B. ein fluiddichtes Gehäuse auf, in dessen Inneren ein Vakuum herrscht (bzw. ein extrem niedriger Gasdruck unter 0,1 % Atmosphärendruck) . Wird ein beweglicher Kontakt von einem Festkontakt z.B. mittels einer Federkraft schnell weggezogen, so wird ein entstehender Lichtbogen rasch gelöscht, u.A. weil kaum ionisierbares Medium für einen Stromfluss vorliegt. Vakuumschalteinrichtungen sind besonders gut zum Schalten von Wechselstrom geeignet, weil beim Nulldurchgang der Spannung ein Lichtbogen stets abreißt.
Bisher gibt es keine Lösung, die aktiv dem Problem der Magnetisierung der Ankerplatte oder sogar des gesamten Eisenkreises, also z.B. auch des Eisenjochs der Spule (n) , entgegensteuert. Die auf tretenden Verzögerungen beim Abschalten werden entweder herstellerseitig akzeptiert oder bereits vorab in den Toleranzen der Spezifikation berücksichtigt. Letzteres hat den Nachteil, dass ein vergleichsweise großer Bereich der Ausschaltverzögerung im Datenblatt bzw. der Spezifikation angegeben werden muss, was für zeitkritische Anwendungen der Kunden teilweise inakzeptabel ist.
Die Erfindung beruht auf dem Ansatz, den Spulenstrom entweder bei jeder Schalthandlung oder zyklisch (je nach verwendeter Ansteuerelektronik) umzukehren bzw. umzupolen. Die „Nord- Süd"-Orientierung des Magnetfeldes im Eisenkreis (Magentanker und Eisenjoch der Spule (n) ) wird dann entsprechend umgepolt, so dass keine Magnetisierung stattfindet. Wenn die Ankerplatte nicht oder nur sehr gering magnetisiert ist, besteht beim Abschalten des Spulenstroms keine Magnetkraft mehr, die das Ausschalten verzögert.
In einer bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weist die Umpolungseinrichtung steuerbare Schalteinrichtungen für die mindestens eine Spule auf.
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weisen die steuerbaren Schalteinrichtungen (16-19) mindestens eine der folgenden Schalteinrichtungen auf: MOSFET, IGBT, Relais. Ein MOSFET ist ein Metall- Oxid-Halbleiter-Feldef f ekttransistor und ein IGBT ist ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Ein Relais ist ein durch elektrischen Strom betriebener, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen . Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten.
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine erste Ansteuerungseinrichtung ausgebildet, die steuerbaren Schalteinrichtungen bei jedem Einschalten der mindestens einen Spule derart anzusteuern, dass der Stromfluss umgepolt wird. In diesem Fall werden die Magnetspulen entweder durch einen elektronischen oder mechanischen Schalter (z. B. ein Relais) angesteuert. Eine entsprechend konstruierte elektronische Schaltung oder andere Hilfseinrichtung (z. B. bistabiles Relais) sorgt dafür, dass die Polarität des Spulenstroms bei jeder Ansteuerung wechselt.
Eine Ansteuerungseinrichtung weist z.B. eine elektronische Schaltung oder einen Datenprozessor auf. Es kann beispielsweise ein Mikrocontroller verwendet werden.
Es wird bei dieser Ausführungsform, die sich auf den Einschaltvorgang der Schaltanordnung fokussiert, typischerweise davon ausgegangen, dass die Phasen, in denen das Schütz eingeschaltet ist, für jede Polarität (d.h. für jede Stromrich- tung in der Spule ) im statistischen Mittel ungefähr gleich lang sind .
Es wird außerdem davon ausgegangen, dass j ede einzelne Einschaltphase kurz genug ist , um keine nennenswerte Magnetisierung der Ankerplatte zu ermöglichen . Der Begri f f Einschaltphase stellt im Rahmen der Erfindung nicht auf die Zeitspanne , die das Schütz für den Zustandswechsel von AUS nach EIN benötigt , sondern vielmehr auf die gesamte Zeit , in der sich das Schütz im Zustand EIN befindet . Bei 1000 Schaltzyklen über die Betriebsdauer der Schaltanordnung 1 würden sich so in etwa 1000 Umpolungen ergeben .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung weist die erste Ansteuerungseinrichtung ein bistabiles Relais auf . Ein bistabiles Relais ist beispielsweise von der Website „Relais-Tipp - Ein- und Zwei- spulen-Varianten von bistabilen Relais
Ansteuern" von Dr . Dietmar Tschierse et al . ( Link : https : / / www . elektronikpraxis . vogel . de/ e in-und- zwei spul en- varianten-von-bistabilen-relais-ansteuern-a-44 6696/ ) , bekannt .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung sind die steuerbaren Schalteinrichtungen in der Umpolungseinrichtung nach Art einer H-Brücke relativ zu der mindestens einen Spule angeordnet . Eine H- Brücke , auch Brückenschaltung genannt , ist z . B . gebräuchlich, um einen Elektromotor einer Maschine oder eines Fahrzeugs in seiner Drehrichtung umzuschalten . Dies wird beispielsweise auf der Website „H-Brücke - Die Andersherum-Schaltung" ( Link : http : / / dieelektroniker seite . de/Lections/H-Bruecke%20- %20Die%2 OAndersherum-Schaltung . htm ) erläutert .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , die steuerbaren Schalteinrichtungen der mindestens einen Spule derart anzusteuern, dass der Strom- fluss mehrfach umgepolt wird . Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Entmagnetisierung unabhängig von der Länge der Einschaltphase bzw . einer erneuten Schalthandlung durchgeführt werden kann .
Die Entmagnetisierung findet dabei während der Einschaltphase statt . Dazu wird der Spulenstrom in schneller Folge umgepolt .
Dieser Ansatz einer mehrfachen Umpolung während des Haltebetriebs , d . h . bei geschlossenen Kontakten und durch die Spulen angezogenem Magnetanker benötigt beispielsweise eine zwischenzeitliche ( z . B . mechanische ) Arretierung des Anpressdrucks der Kontakte , da ansonsten beim Nulldurchgang der Magnetisierung das Schütz ungewollt öf fnet und das dahinterliegende Energienetz stromlos geschaltet wird . In der Praxis ist das Schütz z . B . während der gesamten Dauer des eingeschalteten Zustandes arretiert .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , für j eden Umpolungsvorgang mittels Pulsweitenmodulation einen Strompuls bereitzustellen, um ein zeitlich abklingendes Magnetfeld in der mindestens einen Spule zu erzeugen . Dies ist ein Vorteil , weil mittels des abklingenden Magnetfelds j eweils eine Entmagnetisierung des Magnetankers erreicht werden kann .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , eine Stromstärke und eine zeitliche Dauer der Strompulse derart einzustellen, dass die anziehende Kraft auf den Magnetanker ausreicht , um den beweglichen Kontakt auf den Festkontakt anzupressen . Dies ist ein Vorteil , weil die Schaltanordnung bzw . der Schütz auch während der regelmäßigen Entmagnetisierung sicher geschlossen bleibt .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrich- tung ausgebildet , eine Umpolung der mindestens einen Spule regelmäßig durchzuführen .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist die zweite Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , eine Umpolung der mindestens einen Spule mindestens einmal pro Tag durchzuführen . Dieses Verfahren kann beliebig oft bzw . bei Bedarf wiederholt werden . Bevorzugt wird die Umpolung mindestens einmal im Monat , noch mehr bevorzugt mindestens einmal im Jahr durchgeführt . Auch eine Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Schalthandlungen der Schaltanordnung ist sinnvoll . Beispielsweise kann die Umpolung alle 10 , bevorzugt alle 100 , Schalthandlungen durchgeführt werden .
In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist eine dritte Ansteuerungseinrichtung ausgebildet , anhand eines magnetischen Modells zu ermitteln, ob eine Magnetisierung eines Eisenkreises einen vorher festgelegten Magnetisierungs-grenzwert überschreitet , und in dem Fall einer Überschreitung des Magnetisierungsgrenzwerts den Stromfluss umzupolen . Ein magnetisches Modell berücksichtigt beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Aspekte : Stromstärke , Polarität des Stromes , zeitliche Dauer der Bestromung, magnetische Eigenschaften des verwendeten Eisenkreises , geometrische Ausgestaltung des Eisenkreises . Durch das Modell kann dann der Zeitpunkt automatisch gewählt werden, ab dem bei Überschreiten des Magnetisierungsgrenzwerts der nächste Schaltvorgang des Schützes mit geänderter Polarität durchgeführt wird . Der Begri f f Eisenkreis bezeichnet dabei im Sinne der Erfindung zumindest den Magnetanker und ein Eisenj och der Spule (n) , kann j edoch auch noch weitere magnetisierbare Bauteile umfassen .
Ausgehend von dem bekannten Schütz stellt sich an die Erfindung die Aufgabe , ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung anzugeben, das besonders schnelle Ausschaltzeiten ermöglicht . Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 . Bevorzugte Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 13 bis 15 erläutert . Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für die erfindungsgemäße Schaltanordnung erläutert .
Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt die Figur in schematischer Darstellung ein Aus führungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltanordnung 1 .
Die Schaltanordnung 1 weist eine Vakuumschalteinrichtung 8- 14 mit einem Gehäuse 14 auf , das fluiddicht und evakuiert 13 ist . Im Inneren des Gehäuses 14 wird ein beweglicher Kontakt 11 an eine Festkontakt 12 angepresst . Dargestellt ist damit der geschlossene Zustand des Schalters mit eingeschaltetem Magnetantrieb 2 , 4 . Ein Schaltstab 8 ist durch das Gehäuse 14 mit dem beweglichen Kontakt 11 verbunden, wobei z . B . ein nicht dargestellter Faltenbalg die Beweglichkeit sicherstellt . Für ein mechanisches Trennen der Kontakte 11 , 12 ist eine Federeinrichtung 10 vorgesehen, die an einer Stützplatte 9 abstützt und im dargestellten geschlossenen Zustand vorgespannt ist .
Der Schaltstab 8 ist mit einem Kniehebel 5-7 verbunden, wobei der erste Schenkel 6 und der zweite Schenkel 5 winkelstei f verbunden, aber um das Gelenk 7 drehbar gelagert sind . Der zweite Schenkel 5 ist mit einer Ankerplatte 4 aus Metall , z . B . Eisen, verbunden . Diese Übertragungsmechanik 5-7 übersetzt eine Bewegung des Magnetankers 4 in eine Bewegung des beweglichen Kontakts 11 zum Festkontakt 12 hin .
Der Magnetantrieb 2 , 4 weist mindestens eine Spule 2 auf , die mittels Anschlussleitungen 20 , 21 an eine Umpolungseinrichtung 15 angeschlossen sind . Die Umpolungseinrichtung 15 weist vier steuerbare Schalteinrichtungen 31-34 , z . B . IGBTs , für die mindestens eine Spule 2 auf . Die Schalteinrichtungen 31-34 sind als H-Brücke verschaltet , d . h . eine Anschlussleitung 20 ist zwischen zwei Schalteinrichtungen 31 , 32 in einem ersten Zweig 17 angeschlossen, während die anderen Anschlussleitung 21 zwischen zwei Schalteinrichtungen 33 , 32 in einem zweiten Zweig 23 der Schaltung angeschlossen ist . Beide Zweige 17 , 23 sind durch Leitungen 19 verbunden . Mit Leitungen 18 ist eine Gleichstromquelle 16 verbunden .
Im dargestellten eingeschalteten Zustand sind zwei Schalteinrichtungen 31 , 34 geschlossen . Es wird durch die Spule 2 eine anziehende Kraft F auf den Magnetanker 4 ausgeübt und dieser zu der Spule 2 hinbewegt . Werden die zwei Schalteinrichtungen 31 , 34 geöf fnet und die anderen beiden Schalteinrichtungen 32 , 33 geschlossen, so wird die Spule umgepolt .
Die Umpolungseinrichtung 15 ist ausgebildet , einen Stromfluss durch die mindestens eine Spule mindestens einmal pro Tag umzupolen .
Eine zweite Ansteuerungseinrichtung 35 ist mit der Umpolungseinrichtung 15 verbunden, um die steuerbaren Schalteinrichtungen 31-34 der mindestens einen Spule 2 derart anzusteuern, dass der Stromfluss mehrfach umgepolt wird .
Dabei wird für j eden Umpolungsvorgang mittels Pulsweitenmodulation ein Strompuls bereitgestellt , um ein zeitlich abklingendes Magnetfeld in der mindestens einen Spule zu erzeugen . Es können viele dutzend oder hunderte Male Umpolungen durchgeführt werden, um den Magnetanker weitestgehend zu entmagnetisieren . Auf diese Weise wird sichergestellt , dass die Ausschaltzeiten nicht durch eine Magnetisierung des Ankers unnötig verlängert werden . Bevorzugt ist es , die Stromstärke und die zeitliche Dauer der Strompulse derart einzustellen, dass die anziehende Kraft F auf den Magnetanker 4 ausreicht , um den beweglichen Kontakt 11 auf den Festkontakt 12 anzupressen . Dadurch wird die Schaltanordnung 1 auch bei regelmäßigen Umpolungen der Stromzufuhr der Spule im geschlossenen Zustand sicher gehalten .

Claims

Patentansprüche
1. Schaltanordnung (1) , aufweisend eine Vakuumschalteinrichtung (8-14) mit einem beweglichen Kontakt (11) und einem Festkontakt (12) , und einen Magnetantrieb (2,4) mit mindestens einer Spule (2) , der ausgebildet ist, im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft (F) auf einen Magnetanker (4) auszuüben und diesen zu bewegen, und eine Übertragungsmechanik (5-7) , die ausgebildet ist, eine Bewegung des Magnetankers (4) in eine Bewegung des beweglichen Kontakts (11) zum Festkontakt (12) hin zu übersetzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umpolungseinrichtung (15) ausgebildet ist, einen Stromfluss durch die mindestens eine Spule (2) umzupolen.
2. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umpolungseinrichtung (15) steuerbare Schalteinrichtungen (31-34) für die mindestens eine Spule (2) aufweist.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Schalteinrichtungen (31-34) mindestens eine der folgenden Schalteinrichtungen aufweisen: MOSFET, IGBT, Relais.
4. Schal tanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, die steuerbaren Schalteinrichtungen (31-34) bei jedem Einschalten der mindestens einen Spule (2) derart anzusteuern, dass der Stromfluss umgepolt wird.
5. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ansteuerungseinrichtung ein bistabiles Relais aufweist.
6. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Schalteinrichtungen (31-34) in der Umpolungseinrichtung (15) nach Art einer H-Brücke relativ zu der mindestens einen Spule (2) angeordnet sind.
7. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Ansteuerungseinrichtung (35) ausgebildet ist, die steuerbaren Schalteinrichtungen (31-34) der mindestens einen Spule (2) derart anzusteuern, dass der Stromfluss mehrfach umgepolt wird.
8. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ansteuerungseinrichtung (35) ausgebildet ist, für jeden Umpolungsvorgang mittels Pulsweitenmodulation einen Strompuls bereitzustellen, um ein zeitlich abklingendes Magnetfeld in der mindestens einen Spule (2) zu erzeugen.
9. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ansteuerungseinrichtung (35) ausgebildet ist, eine Stromstärke und eine zeitliche Dauer der Strompulse derart einzustellen, dass die anziehende Kraft (F) auf den Magnetanker (4) ausreicht, um den beweglichen Kontakt (11) auf den Festkontakt (12) anzupressen.
10. Schaltanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ansteuerungseinrichtung (35) ausgebildet ist, eine Umpolung der mindestens einen Spule (2) regelmäßig durchzuführen.
11. Schaltanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ansteuerungseinrichtung (35) ausgebildet ist, eine Umpolung der mindestens einen Spule (2) mindestens einmal pro Tag durchzuführen.
12. Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung (1) , mit den Schritten: Bereitstellen einer Vakuumschalteinrichtung (8-14) mit einem beweglichen Kontakt (11) und einem Festkontakt (12) , und Bereitstellen eines Magnetantriebs (2,4) mit mindestens einer Spule (2) , der ausgebildet ist, im eingeschalteten Zustand eine anziehende Kraft (F) auf einen Magnetanker (4) auszuüben und diesen zu bewegen, und Übertragen einer Bewegung des Magnetankers (4) in eine Bewegung des beweglichen Kontakts (11) zum Festkontakt (12) hin mittels einer Übertragungsmechanik (5-7) , gekennzeichnet durch den Schritt: Umpolen eines Stromflusses durch die mindestens eine Spule (2) mittels einer Umpolungseinrichtung (15) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer ersten Ansteuerungseinrichtung steuerbare Schalteinrichtungen (31-34) für die mindestens eine Spule (2) bei jedem Einschalten derart angesteuert werden, dass der Stromfluss umgepolt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass steuerbare Schalteinrichtungen (31-34) in der Umpolungseinrichtung (15) nach Art einer H-Brücke relativ zu der mindestens einen Spule (2) angeordnet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer zweiten Ansteuerungseinrichtung (35) die steuerbaren Schalteinrichtungen (31-34) der mindestens einen Spule (2) derart angesteuert werden, dass der Stromfluss mehrfach umgepolt wird.
EP22751041.9A 2021-08-16 2022-07-12 Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung Pending EP4356411A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021208968.2A DE102021208968A1 (de) 2021-08-16 2021-08-16 Schaltanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Schaltanordnung
PCT/EP2022/069485 WO2023020750A1 (de) 2021-08-16 2022-07-12 Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4356411A1 true EP4356411A1 (de) 2024-04-24

Family

ID=82799840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22751041.9A Pending EP4356411A1 (de) 2021-08-16 2022-07-12 Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4356411A1 (de)
DE (1) DE102021208968A1 (de)
WO (1) WO2023020750A1 (de)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19526681B4 (de) * 1995-07-21 2006-06-22 Fev Motorentechnik Gmbh Verfahren zur zeitgenauen Steuerung der Ankerbewegung eines elektromagnetisch betätigbaren Stellmittels
US7280338B2 (en) * 2005-05-12 2007-10-09 Eaton Corporation Power supply circuit, back-pack power supply module and circuit interrupter including the same
US8520356B2 (en) * 2009-05-14 2013-08-27 Michael Lenz Relay controller for defined hold current for a relay
US9837229B2 (en) 2011-06-24 2017-12-05 Tavrida Electric Holding Ag Method and apparatus for controlling circuit breaker operation
US10637469B2 (en) * 2017-07-19 2020-04-28 Hamilton Sunstrand Corporation Solenoid fast shut-off circuit network

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021208968A1 (de) 2023-02-16
WO2023020750A1 (de) 2023-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE4304921C1 (de) Bistabiler magnetischer Antrieb für einen elektrischen Schalter
WO2007079767A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines schaltgerätes
EP3797438B1 (de) Trennvorrichtung zur gleichstromunterbrechung eines strompfades sowie schutzschalter
EP0898780B1 (de) Elektrischer schalter mit einem magnetischen antrieb
EP2885803B1 (de) Stellvorrichtung für eine vakuumschaltröhre und trennanordnung
EP1417694B1 (de) Elektromagnetanordnung für einen schalter
EP4356411A1 (de) Schaltanordnung und verfahren zum betreiben einer schaltanordnung
WO2015185371A1 (de) Relais
DE102004034296B3 (de) Elektromagnetischer Aktuator
DE102016011341A1 (de) Hochvoltschaltschützanordnung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Überführen einer Hochvoltschaltschützanordnung zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand
DE4022612C2 (de)
DE102011081893B3 (de) Magnetischer Aktor und Verfahren zu dessen Betrieb
DE102016101503B4 (de) Gepoltes elektromechanisches Relais mit steuerbarer Leistungsaufnahme
DE10133713C5 (de) Elektromagnetischer Antrieb
DE102014111854B4 (de) Schaltgerät mit Schalt- und Schutzfunktion
DE102017223250A1 (de) Motorstarter, Betriebsverfahren, Computerprogrammprodukt und Motorstarteranordnung
DE102018206054B4 (de) Schaltschütz
DE102017123202B4 (de) Schaltgerät mit einem Klappanker- Magnetsystem
DE102018216223B3 (de) Aktor und Verfahren zur Betätigung eines Hochspannungsschalters
WO2005088659A2 (de) Schalter, insbesondere sicherheitsschalter für eine batterie-bordnetzverbindung
AT20684B (de) Schaltungseinrichtung für selbsttätige Transformatorschalter.
DE735645C (de) Schalteinrichtung
DE102022123202A1 (de) Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements
DE1414397C (de) Schaltungsanordnung zur Betätigung eines Elektromagnetsystemes nach dem Re manenzprinzip
DE827978C (de) Vorrichtung zur Betaetigung elektromagnetischer Schalter in vorgegebenen Phasenwinkeln

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240116

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR