NL1026208C2

NL1026208C2 - Power stage for electromagnetic actuator.

Info

Publication number: NL1026208C2
Application number: NL1026208A
Authority: NL
Inventors: Arend Jan Willem Lammers; Edward Stanley Limon
Original assignee: Eaton Electric Nv
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-21

Description

f *f *

Vermoeenstrap voor elektromagnetische actuator Gebied van de uitvindingField of invention for electromagnetic actuator

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verraogenstrap voor een 5 elektromagnetische actuator, die bijvoorbeeld dient voor het openen en/of sluiten van een schakelaar. De vermogenstrap omvat een buffercondensator voor het opslaan van elektrische energie, een spoel voor het bekrachtigen van de actuator, een eerste schakelelement dat is ingericht om de in de buffercondensator opgeslagen energie bij sluiten van het eerste schakelelement door de spoel te laten vloeien, en een eerste diode 10 die parallel aan de spoel is geschakeld.The present invention relates to a step ladder for an electromagnetic actuator, which serves, for example, to open and / or close a switch. The power stage comprises a buffer capacitor for storing electrical energy, a coil for energizing the actuator, a first switching element adapted to cause the energy stored in the buffer capacitor to flow through the coil when the first switching element closes, and a first diode 10 which is connected in parallel with the coil.

Stand van de techniekState of the art

Een dergelijke vermogenstrap is bekend uit de Britse octrooiaanvrage GB-A-2 305 560. Deze publicatie beschrijft een bistabiele magnetische actuator met twee 15 spoelen. Energie uit een lithium batterij wordt gebruikt om een open- of sluitspoel te bekrachtigen. Een diode kan parallel aan de spoel worden geschakeld om een schakelelement te beschermen tegen overspanning. Om de reactiesnelheid van de actuator te verhogen, wordt de diode na een bepaalde tijd (bv 5ms) uit de schakeling gehaald (door een openende schakelaar) waardoor geen geïnduceerde kringstroom gaat 20 lopen. Nadeel is dat extra maatregelen nodig zijn om de diode uit de schakeling te kunnen halen (door de spoel bekrachtigde schakelaars), en extra maatregelen nodig zijn om voldoende energie uit de spoel te dissiperen, zoals varistors. Hierdoor wordt de vermogenstrap kostbaar. Bovendien is de bekrachtigingsfrequentie beperkt door de maximum energie die gedissipeerd kan worden.Such a power stage is known from the British patent application GB-A-2 305 560. This publication describes a bistable magnetic actuator with two coils. Energy from a lithium battery is used to power an open or close coil. A diode can be connected in parallel with the coil to protect a switching element against overvoltage. In order to increase the reaction speed of the actuator, the diode is removed from the circuit after a certain time (eg 5 ms) (by an opening switch) so that no induced circuit current starts running. The disadvantage is that extra measures are required to remove the diode from the circuit (switches energized by the coil), and additional measures are required to dissipate sufficient energy from the coil, such as varistors. This makes the power step expensive. Moreover, the excitation frequency is limited by the maximum energy that can be dissipated.

2525

Samenvatting van de uitvindingSummary of the invention

De onderhavige uitvinding tracht een vermogenstrap voor het bekrachtigen van een actuator te verschaffen, die eenvoudig en goedkoop te vervaardigen is, en betrouwbaar en economisch in gebruik is.The present invention seeks to provide a power stage for actuating an actuator that is simple and inexpensive to manufacture, reliable and economical to use.

30 Volgens de onderhavige uitvinding wordt een vermogenstrap volgens de in de aanhef gedefinieerde soort verschaft, waarbij parallel aan de buffercondensator een serieschakeling van het eerste schakelelement, de spoel en een tweede schakelelement ! is geschakeld, de eerste diode parallel is geschakeld aan een serieschakeling van de | 1028208 i 2 ·.According to the present invention, a power stage of the type defined in the preamble is provided, wherein in parallel to the buffer capacitor a series connection of the first switching element, the coil and a second switching element! is connected, the first diode is connected in parallel to a series connection of the | 1028208 i 2.

spoel en het tweede schakelelement, en een tweede diode parallel is geschakeld aan een serieschakeling van de spoel en het eerste schakelelement. Deze schakeling vergt geen weerstand om de in de spoel opgeslagen energie te dissiperen, doordat deze energie teruggeleid wordt naar de buffercondensator. De energie blijft dus grotendeels 5 behouden en wordt niet omgezet in warmte. Verder heeft de onderhavige vermogenstrap ten opzichte van bekende vermogenstrappen slechts enkele extra componenten (één diode en één schakelaar) nodig, die relatief goedkoop zijn. Ook zal bij het uitschakelen van de vermogenstrap door de stijgende tegenspanning over de (gedeeltelijk) ontladen buffercondensator de stroom door de spoel snel afhemen (in de 10 orde van 10 - 15 ms), waardoor de vermogenstrap in staat is snel in en weer uit te schakelen. De spanning over de schakelelementen zal begrensd worden tot aan de spanning over de buffercondensator, waardoor eenvoudige schakelelementen gebruikt kunnen worden die niet al te hoge eisen hebben qua werkspanning. Een verder voordeel is dat met deze schakeling een veilig bedrijf (‘fail safe’) mogelijk gemaakt kan worden. 15 Het eerste schakelelement en tweede schakelelement zijn in een uitvoeringsvorm ingericht om in hoofdzaak synchroon gesloten en geopend te worden. Hierdoor wordt hef stroompad van buffercondensator, via eerste en tweede schakelelement en spoel geopend of gesloten op hetzelfde moment. Echter, de in- of uitschakeling van de bekrachtiging van de actuator wordt bepaald door het laatste schakelelement dat sluit, 20 respectievelijk opent.the coil and the second switching element, and a second diode is connected in parallel to a series connection of the coil and the first switching element. This circuit requires no resistance to dissipate the energy stored in the coil, because this energy is returned to the buffer capacitor. The energy is therefore largely retained and is not converted into heat. Furthermore, the present power stage requires only a few additional components (one diode and one switch) relative to known power stages, which are relatively inexpensive. Also, when the power stage is switched off due to the rising counter voltage across the (partially) discharged buffer capacitor, the current through the coil will rapidly decelerate (in the order of 10 - 15 ms), whereby the power stage is able to switch in and out quickly again. switch. The voltage across the switching elements will be limited to the voltage across the buffer capacitor, as a result of which simple switching elements can be used that do not have too high demands in terms of operating voltage. A further advantage is that a safe operation ("fail safe") can be made possible with this circuit. The first switching element and second switching element are arranged in an embodiment to be closed and opened substantially synchronously. As a result, the current path of buffer capacitor, via first and second switching element and coil, is opened or closed at the same time. However, the activation or deactivation of the actuator of the actuator is determined by the last switching element that closes, or opens, respectively.

In een voordelige uitvoeringsvorm worden het eerste en tweede schakelelement gevormd door halfgeleiderschakelaars. Deze zijn goedkoop, eenvoudig in een schakeling op te nemen, en betrouwbaar tijdens bedrijf. In een verdere uitvoeringsvorm zijn het eerste en tweede schakelelement bijvoorbeeld FET’s. Deze hebben in 25 ingeschakelde toestand een lage inwendige weerstand (Rds-on) waardoor weinig vermogen in deze schakelaars gedissipeerd wordt.In an advantageous embodiment, the first and second switching element are formed by semiconductor switches. These are inexpensive, easy to integrate into a circuit, and reliable during operation. In a further embodiment, the first and second switching element are, for example, FETs. In the switched-on state, these have a low internal resistance (Rds-on), so that little power is dissipated in these switches.

Daarnaast zijn met de onderhavige uitvinding snellere schakeltijden en hogere schakelfrequenties mogelijk dan bij de vermogenstrap volgens de stand van de techniek.In addition, with the present invention, faster switching times and higher switching frequencies are possible than with the power stage according to the prior art.

3030

Korte beschrijving van de tekeningen 1026208 1 . · i j 3Brief description of the drawings 1026208 1. · I 3

De onderhavige uitvinding zal nu in meer detail worden besproken aan de hand van een aantal voorbeelduitvoeringsvormen, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarinThe present invention will now be discussed in more detail with reference to a number of exemplary embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 een elektrisch schema toont van een vermogenstrap volgens de stand van 5 de techniek; enFIG. 1 shows an electrical diagram of a power stage according to the prior art; and

Fig. 2 een elektrisch schema toont van een vermogenstrap volgens een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.FIG. 2 shows an electrical diagram of a power stage according to an embodiment of the present invention.

10 Gedetailleerde beschrijving van voorbeelduitvoeringsvormenDetailed description of exemplary embodiments

In Fig. 1 is een elektrisch schema getoond van een vermogenstrap voor een elektromagnetische schakelaar volgens de stand van de techniek. De vermogenstrap dient voor het gecontroleerd bekrachtigen van een spoel L van een schakelaar of onderbreker die elektromagnetisch bediend wordt. De vermogenstrap dient voor het 15 openen of voor het sluiten van de schakelaar, en gebruikt daarvoor de energie die in een buffercondensator C is opgeslagen. De schakelaar omvat dus in het algemeen twee of meer vermogenstrappen, één of meer voor het sluiten van de schakelaar en één voor het openen.In FIG. 1 is an electrical diagram of a power stage for an electromagnetic switch according to the prior art. The power stage serves for the controlled energization of a coil L of a switch or circuit breaker that is electromagnetically operated. The power stage serves to open or close the switch, and therefore uses the energy stored in a buffer capacitor C. Thus, the switch generally comprises two or more power stages, one or more for closing the switch and one for opening.

De vermogenstrap omvat zoals weergegeven in Fig. 1 een buffercondensator C, 20 die verbonden is met twee voedingsleidingen + en -. Verder omvat de vermogenstrap een spoel L in serie met een schakelelement S, waarbij de serieschakeling van spoel L en schakelelement S parallel aan de buffercondensator C is geschakeld. Parallel aan de spoel L is een serieschakeling van een vrijloopdiode D en een weerstand R aangesloten.The power stage includes as shown in FIG. 1 a buffer capacitor C, 20 which is connected to two supply lines + and -. Furthermore, the power stage comprises a coil L in series with a switching element S, the series connection of coil L and switching element S being connected in parallel to the buffer capacitor C. A series connection of a freewheel diode D and a resistor R is connected in parallel to the coil L.

Om een schakelaar te sluiten wordt schakelelement S gesloten zodat een stroom 25 il (streep-stippellijn) door de spoel L zal vloeien. Wanneer schakelelement S wordt geopend, zal een hoge spanning optreden over schakelelement S door de opgeslagen energie en inductantie van de spoel L. Zonder verdere maatregelen kan deze hoge spanning het schakelelement S beschadigen. Om dergelijke schade te voorkomen wordt een diode D parallel aan de spoel L geschakeld. Hierdoor kan na openen van het 30 schakelelement S, een stroom i2 (stippellijn) vloeien door de diode D en kan de spanning over het schakelelement S beperkt worden op het niveau van de buffercondensator C.To close a switch, switching element S is closed, so that a current 25 ll (dotted line) will flow through the coil L. When switching element S is opened, a high voltage will occur across switching element S due to the stored energy and inductance of the coil L. Without further measures, this high voltage can damage the switching element S. To prevent such damage, a diode D is connected in parallel with the coil L. As a result, after opening of the switching element S, a current i2 (dotted line) can flow through the diode D and the voltage across the switching element S can be limited at the level of the buffer capacitor C.

1026208 » * 41026208 »* 4

Nadeel van een dergelijke diode D is dat het een lange tijd duurt totdat de stroom i2 tot nul afneemt. In die tijd is het niet mogelijk om de schakelaar gecontroleerd weer uit te schakelen, hetgeen bijvoorbeeld in het geval van een kortsluiting noodzakelijk kan zijn. Dit omdat de stroom i2 nog loopt en de (inschakel-)spoel L bekrachtigd houdt.The disadvantage of such a diode D is that it takes a long time until the current i2 decreases to zero. In that time it is not possible to switch the switch off again in a controlled manner, which may be necessary in the case of a short circuit, for example. This is because the current i2 is still running and keeps the (switch-on) coil L energized.

5 Om de tijd te bekorten kan gebruik gemaakt worden van een weerstand R, die in serie is geschakeld met de diode D.In order to shorten the time, use can be made of a resistor R, which is connected in series with the diode D.

Bij uitschakelen van het schakelelement S, zal de spanning over de weerstand R opgeteld worden bij de spanning over de condensator C, en de spanning over deze twee elementen komt over het schakelelement S te staan. De waarde van de weerstand R 10 moet dus zo laag mogelijk worden gehouden om deze spanning laag te houden en overbelasting van het schakelelement S te voorkomen.Upon switching off the switching element S, the voltage across the resistor R will be added to the voltage across the capacitor C, and the voltage across these two elements will be across the switching element S. The value of the resistor R10 must therefore be kept as low as possible in order to keep this voltage low and to prevent overloading of the switching element S.

De weerstand R moet tevens in staat zijn de in de spoel L opgeslagen energie te dissiperen. De afmeting van de weerstand R hangt af van de hoeveelheid energie die gedissipeerd moet worden. Deze energie gaat met elke schakelaktie van de 15 vermogenstrap verloren. Ook dient in het algemeen een speciale weerstand R met lage strooi-inductantie gebruikt te worden om spanningspieken over het schakelelement S te voorkomen. Dergelijke weerstanden zijn relatief duur.The resistor R must also be able to dissipate the energy stored in the coil L. The size of the resistor R depends on the amount of energy to be dissipated. This energy is lost with every switching action of the power stage. Also, in general, a special resistor R with low scatter inductance should be used to prevent voltage spikes across the switching element S. Such resistors are relatively expensive.

Als voorbeeld kan een vermogenstrap met de volgende specificaties gezien worden: L = 5 mH; Rspoel = 0,25 Ω (tijdconstante r = L/Rspoel = 20 ms), waarbij 20 Rspoel de weerstand is van de spoel L. De vrij looptijd met alleen een diode D (geen weerstand R) zou in dit geval 5r= 100 ms zijn. Een gewenste tijd is 25 ms, hetgeen ruimschoots niet gehaald wordt. Dit kan bereikt worden door een totale serieweerstand van 1 Ω, hetgeen bereikt kan worden met een weerstand R met een waarde van 0,75 Ω. Bij een uitschakelstroom van bijvoorbeeld 150A en een restspanning van 60 over de 25 buffercondensator C, zal de spanning over het schakelelement S 150 x 0,75 + 60 = 172,5 V bedragen. Om veilig bedrijf mogelijk te maken, dient het schakelelement S derhalve een spanning van meer dan 200 V te kunnen weerstaan. De weerstand R moet in staat zijn een energie in de spoel L van 0,5 LI2 = 56 Joules te dissiperen.An example of a power stage with the following specifications can be seen: L = 5 mH; R coil = 0.25 Ω (time constant r = L / R coil = 20 ms), where 20 R coil is the resistance of the coil L. The free travel time with only a diode D (no resistor R) would in this case be 5 r = 100 ms to be. A desired time is 25 ms, which is largely not achieved. This can be achieved by a total series resistance of 1 Ω, which can be achieved with a resistor R with a value of 0.75 Ω. With a switch-off current of, for example, 150 A and a residual voltage of 60 across the buffer capacitor C, the voltage across the switching element S will be 150 x 0.75 + 60 = 172.5 V. To enable safe operation, the switching element S must therefore be able to withstand a voltage of more than 200 V. The resistor R must be able to dissipate an energy in the coil L of 0.5 L2 = 56 Joules.

Met de vermogenstrap volgens de onderhavige uitvinding, waarvan in Fig. 2 een 30 uitvoeringsvorm is getoond, kunnen de bovengenoemde problemen opgelost worden op een meer kosteneffectieve wijze.With the power stage of the present invention, of which in FIG. 2 shows an embodiment, the aforementioned problems can be solved in a more cost effective manner.

De vermogenstrap omvat tevens een buffercondensator C die aangesloten is op de voedingsspanning ( + en -) en een spoel L. De vermogenstrap omvat een 1026208 5 serieschakeling van een eerste schakelelement SI, de spoel L, en een tweede schakelelement S2 parallel aan de buffercondensator C. Parallel aan de serieschakeling van eerste schakelelement SI en spoel L is een tweede diode D2 (ook wel vrijloopdiode) geschakeld. Parallel aan de serieschakeling van spoel L en tweede 5 schakelelement S2 is een eerste diode Dl geschakeld.The power stage also comprises a buffer capacitor C which is connected to the supply voltage (+ and -) and a coil L. The power stage comprises a series connection of a first switching element S1, the coil L, and a second switching element S2 parallel to the buffer capacitor C Parallel to the series connection of first switching element S1 and coil L, a second diode D2 (also known as a freewheel diode) is connected. A first diode D1 is connected in parallel to the series connection of coil L and second switching element S2.

Wanneer beide schakelelementen SI, S2 gesloten worden, zal een stroom il (streep-stippellijn) gaan vloeien van buffercondensator C door de spoel L, waardoor de actuator bekrachtigd wordt (de schakelaar wordt ingeschakeld). Aan het eind van de ontlaadcyclus van condensator C, wanneer de schakelelementen SI, S2 weer geopend 10 worden, zal de in Fig. 2 aangegeven stroom i2 (stippellijn) gaan vloeien door diodes Dl, D2 en de in de spoel L opgeslagen energie weer overbrengen naar de condensator C.When both switching elements S1, S2 are closed, a current il (dash-dotted line) will flow from buffer capacitor C through the coil L, whereby the actuator is energized (the switch is switched on). At the end of the discharge cycle of capacitor C, when the switching elements S1, S2 are opened again, the circuit shown in FIG. 2 (dotted line) indicated by 2 will flow through diodes D1, D2 and transfer the energy stored in the coil L to the capacitor C.

Bij voorkeur sluiten de schakelelementen SI, S2 synchroon. Deze schakeling heeft een aantal voordelen: 15 - Wanneer stroom vloeit door de spoel L en schakelelementen S1, S2 worden geopend, zal de stroom door de spoel L snel onderbroken worden door de tegenspanning op de (deels) ontladen buffercondensator C. Deze tijd zal ongeveer ΙΟΙ 5 ms zijn, hetgeen snel genoeg is om (met een andere vermogenstrap) een schakelaar weer uit te schakelen; 20 - De spanning over de schakelelementen S1, S2 zal beperkt blijven tot de (veilige) feitelijke spanningswaarde over de condensator C, waardoor de bedrijfsspanning van de schakelelementen SI, S2, veel lager kan zijn; - Hef merendeel van de energie die is opgeslagen in de spoel L stroomt weer terug naar de buffercondensator C en wordt niet gedissipeerd (een klein deel zal wel 25 dissiperen door de aanwezige weerstanden, bijvoorbeeld Rspoel); -Br is geen speciale weerstand R nodig om de in de spoel L opgeslagen energie te dissiperen; - In combinatie met een juiste aansturing van de schakelelementen SI, S2, is eenvoudig een ‘fail-safe’ bedrijf te realiseren, d.w.z. door het gebruik van twee 30 schakelelementen S1, S2, is het mogelijk om in geval van een storing te voorkomen dat een schakelaar ingeschakeld kan worden.The switching elements S1, S2 preferably close synchronously. This circuit has a number of advantages: - When current flows through the coil L and switching elements S1, S2 are opened, the current through the coil L will be quickly interrupted by the counter voltage on the (partially) discharged buffer capacitor C. This time will be approximately Zijn 5 ms, which is fast enough to switch a switch off again (with a different power stage); - The voltage across the switching elements S1, S2 will remain limited to the (safe) actual voltage value across the capacitor C, as a result of which the operating voltage of the switching elements S1, S2 can be much lower; The majority of the energy stored in the coil L flows back to the buffer capacitor C and is not dissipated (a small part will dissipate due to the resistors present, for example R coil); -Br no special resistor R is needed to dissipate the energy stored in the coil L; - In combination with correct control of the switching elements S1, S2, a 'fail-safe' operation can easily be realized, ie by using two switching elements S1, S2, it is possible to prevent that in the event of a malfunction a switch can be switched on.

Voor de schakelelementen SI, S2 kunnen (mechanische) schakelaars worden gebruikt (die bijvoorbeeld synchroon schakelen), of halfgeleiderschakelaars, zoals 1028208 » 6 transistoren. Met voordeel kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van veldefïecttransistoren (FET’s).For the switching elements S1, S2 (mechanical) switches can be used (which switch synchronously, for example), or semiconductor switches, such as 1028208 »6 transistors. Advantageously, for example, field defect transistors (FETs) can be used.

Hoewel in de schakeling volgens Fig. 2 een component méér wordt gebruikt dan in de schakeling van Fig. 1, kan de vermogenstrap volgens de onderhavige uitvinding 5 toch gemaakt worden tegen een vergelijkbare kostprijs. Dit wordt veroorzaakt doordat halfgeleidercomponenten gebruikt kunnen worden met een lagere bedrijfsspanning die in het algemeen goedkoper zijn. Een verder voordeel van het gebruik van FET’s als schakelelementen S1, S2, is dat deze een zeer lage weerstand in de aan-toestand hebben (Rds-on) met als gevolg lagere schakelverliezen.Although in the circuit of FIG. 2 a component is used more than in the circuit of FIG. 1, the power stage according to the present invention can nevertheless be made at a comparable cost price. This is due to the fact that semiconductor components can be used with a lower operating voltage that are generally cheaper. A further advantage of using FETs as switching elements S1, S2, is that they have a very low on-state resistance (Rds-on), resulting in lower switching losses.

10262081026208

Claims

A power stage for an electromagnetic actuator, comprising a buffer capacitor (C) for storing electrical energy, a coil (L) for energizing the actuator, a first switching element (S1) which is arranged to receive the current in the buffer capacitor (C ) energy stored at closing of the first switching element (S1) by flowing the coil (L), and a first diode (D1) which is connected in parallel to the coil (L), characterized in that parallel to the buffer capacitor ( C) a series connection of the first switching element (S1), the coil (L) and a second switching element (S2) is connected, the first diode (D1) being connected in parallel to a series connection of the coil (L) and the second switching element (S2), and that a second diode (D2) is connected in parallel to a series connection of the coil (L) and the first switching element (S1). 15

The power stage according to claim 1, wherein the first switching element (S1) and second switching element (S2) are arranged to be closed and opened substantially synchronously.

The power stage according to claim 1 or 2, wherein the first and second switching element (S1, S2) are formed by semiconductor switching axes.

The power stage of claim 3, wherein the first and second switching element (S1, S2) are FETs. 1026208