WO1997021237A2

WO1997021237A2 - Ansteuergerät für schaltgeräte

Info

Publication number: WO1997021237A2
Application number: PCT/DE1996/002283
Authority: WO
Inventors: Franz Ultsch
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1995-12-05
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1997-06-12
Also published as: WO1997021237A3; CN1202269A; JP2000501550A; CN1068968C; EP0865660B1; DE59604468D1; EP0865660A2

Abstract

Insbesondere Schütze oder Relais haben üblicherweise ein Magnetsystem, das eine Spule mit Anker und Joch umfaßt. Vorgeschlagen wurde bereits eine Einrichtung zur zeitabhängigen Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem entsprechend einer Sollkurve, die für jeweils ein Magnetmodell genau berechnet wird. Gemäß der Erfindung wird mit der Regeleinrichtung (10) der magnetische Fluß auf einen vorgegebenen Bereich geregelt, der zeit- und wegeunabhängig ist. Vorzugsweise wird mit der Regeleinrichtung (10) der magnetische Fluß durch die Spule (1, 21) (Spulenfluß) geregelt. Insbesondere kann der ausgeregelte schmale Bereich des Spulenflusses zeit- und wegunabhängig sein, was gemäß dem Stand der Technik nicht möglich ist.

Description

Beschreibung

Ansteuergerät für Schaltgeräte

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ansteuergerät für Schalt¬ geräte, insbesondere für Schütze oder Relais, mit einem Magnetsystem, das eine Spule aus Anker und Joch umfaßt, sowie mit einer Regeleinrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem.

Die Antriebe von Schaltgeräten arbeiten üblicherweise mit MagnetSystemen, welche bisher jeweils auf die Spannungsebene des Schaltgerätes und/oder der Art des Antriebes angepaßt werden müssen. Dadurch ist insbesondere eine große Anzahl von Spulenvarianten notwendig.

Speziell bei gleichstromgetriebenen Schützen iεt bekannter¬ maßen während der Anzugsphase des Magnetsystems ein hoher Strom erforderlich, um die Federkräfte zu überwinden. Bei ge- schlossenem Magnetsystem reicht dagegen bereits ein erheblich kleinerer Strom zum sicheren Halten aus. Um die Halteleistung bei gleichstromgetriebenen Schützen zu reduzieren, werden bereits unterschiedliche Techniken verwendet: Bekannt ist beispielsweise die Verwendung von zwei Spulen für die Anzug- phase einerseits und die Haltephase andererseits, wobei die

Spulen durch einen Hilfsschalter umgeschaltet werden. Weiter¬ hin ist auch bereits eine getaktete Spulenspannung während der Haltephase vorgeschlagen worden. Daε Taktverhältnis be¬ stimmt den effektiven Spulenstrom. Die Umschaltung erfolgt nach einer festen Zeit, wenn das Schütz sicher geschlossen ist .

Aus der DE 30 47 488 AI iεt eine elektronische Schaltungs- anordnung für ein elektromagnetisches Schaltgerät bekannt, bei der mit einem Zweipunktregler der Strom durch eine

Haltespule im geschlossenen Zustand des Haltemagnetes ge¬ regelt wird. Um die Halteleistung zu reduzieren, erfolgt eine Umschaltung von Schwellwerten für die Stromregelung nach einer vorgegebenen Zeit . Als Meßgröße zur Stromregelung wird dabei die Flußmessung über eine Hallsonde zu Hilfe genommen. Weiterhin ist aus der DE 41 29 265 AI ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einem Klappankersystem bekannt, bei dem mit einem Hallsensor der Streufluß erfaßt wird und bei dem die der Spule zugeführte Leistung über die ermittelte magnetfluß¬ proportionale Größe geregelt wird. Ein Streufluß wird eben¬ falls unter Erzeugung eines magnetischen Nebenschlusses zur Erkennung kleinster Luftspalte bei der DE 36 37 133 erfaßt. Schließlich ist aus der DE 32 46 739 ein Schaltschütz mit Flußfühler bekannt, bei der im Joch des Magnetsystems ein Hallsensor vorhanden ist, dessen Signal zur Steuerung der elektrischen Erregung des Schaltschützes auf einen vorbe- stimmten Flußwert dient .

Daneben werden im Tagungsband „Kontaktverhalten und Schalten" des 13. Kontaktseminars - Universität Karlsruhe, 4. bis 6.10.1995, Seiten 101 ff. unterschiedliche Prinzipien ge- regelter Schützantriebe untersucht. Insbesondere ist dort auch eine Einrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem beschrieben, bei der der magnetische Fluß durch die Integration der Induktionsspannung in einer um einen Schenkel des Magneten gewickelten Spule ermittelt und mittels eines exakten Magnetmodells eine Sollvorgabe für den magnetischen Fluß mit der Methode der inversen Simulation berechnet wird. Damit wird speziell eine zeitabhängige Soll¬ kurve für den magnetischen Fluß vorgegeben. Der magnetische Fluß erzeugt die antreibende Kraft und ist für somit ursäch- lieh mit der mechanischen Bewegung gekoppelt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Ansteuergerät für Schaltgeräte der eingangs genannten Art zu vereinfachen. Angestrebt wird dabei eine reduzierte Halteleistung des Magnetsystems einerseits und eine Erhöhung der mechanischen und elektrischen Lebensdauer andererseits. Weiterhin soll das Ansteuergerät bei unterschiedlichen Schaltgeräten verwendbar sein, so daß weniger Spulenvarianten notwendig sind und sol¬ len die Magnetsysteme selbst kleiner alε bisher aufgebaut werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Regeleinrichtung der magnetische Fluß auf einen vorgegebenen Bereich geregelt wird, der zeit- und wegunabhängig ist. Dabei wird mit der Regeleinrichtung vorzugsweise der magnetische Fluß durch die Spule, d.h. es wird der Spulenfluß geregelt.

Mit der Erfindung ist nunmehr ein sanftes Schließen von Schaltgeräten möglich. Insbesondere durch die damit bewirkte Reduzierung des Kontaktprellens wird eine längere Lebensdauer erreicht.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß nur ein Flußbereich für An¬ ziehen und Halten notwendig ist, der als schmaler Bereich ausgeregelt werden kann. Die Breite des Bereiches für den ausgeregelten Spulenfluß liegt insbesondere zwischen 0,01 und 10 %, vorzugsweise zwischen 0,05 und 5 %, des Magnetflusses. Die Breite des Bereiches für den Spulenfluß kann insbesondere in Abhängigkeit von der Schaltfrequenz gewählt werden.

Der Erfindung lag die nichttriviale Erkenntnis zugrunde, daß der Sollwert deε magnetiεchen Flusses in der Spule vorteil¬ hafterweise zustands- und positionsunabhängig gewählt werden kann. Messungen an einem konkreten Schütz haben nämlich er¬ geben, daß zum Erreichen der Anzugskraft im offenen Zustand und zum Erreichen der Haltekraft bei geschlosεenem Magnet- system annähernd der gleiche Wert für den magnetischen

Spulenfluß erforderlich ist. Im geschlossenen Zustand baut bereits ein erheblich kleinerer Strom diesen Fluß auf, da eine größere Induktivität bzw. ein kleinerer magnetischer Widerstand vorliegt. Der Wert für den magnetischen Fluß ist in ein gegebenes Magnetsystem durch Anpassen der Spulen¬ windungszahlen unabhängig von der Spannungsebene. Damit ergibt sich ein entscheidender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, bei dem bei Vereinfachung des Aufbaus des Magnetsystems der magnetische Fluß zeitabhängig vorgewählt werden muß. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die an einem konkreten Schütz ermittelten Verhältnisse auch auf andere

Schützgrößen übertragbar sind. Insbesondere sind entsprechend angepaßte Verhältnisse auch durch Änderung des Zwangsluft¬ spaltes im Joch des Magnetsystems erreichbar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

Figur 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ansteuergerätes für ein Magnetsystem, Figur 2 ein Diagramm mit auf einen engen Bereich geregelten

Magnetfluß- und Stromkurven, Figur 3 das Prinzip der Erfassung des Spulenflusεeε im Magnetεystem durch eine Hilfsspule,

Figur 4 die Erfassung des Spulenflusseε durch eine

Magnetfeldsonde und Figur 5 den Aufbau eines Magnetsystems aus Joch und Anker, bei dem insbesondere die Bedeutung deε Zwangsluft- spaltes ersichtlich ist.

Gleiche bzw. gleichwirkende Einheiten der einzelnen Figuren haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

In den Figuren stellt jeweils 1 eine Spule dar, die Teil eines Magensystems für ein Schaltgerät ist. Speziell in Figur

1 ist die Spule 1 als elektrische Induktivität angedeutet und über eine Gleichrichterbrücke 5 an die Anεchlußklemmen eineε Wechselstromnetzes angeschlossen. Der Spule 1 ist ein Sensor

2 zur Flußerfassung zugeordnet. In Figur 1 bedeutet 10 die eigentliche Einrichtung zur Rege¬ lung des magnetiεchen Flusses. Sie beinhaltet eine Einheit 11 zur Schwellenerkennung und eine Einheit 12 zur Spannungsüber¬ wachung und weiterhin ein steuerbares Schaltelement 13. Über das steuerbare Schaltelement 13, das beispielsweise ein Tran¬ sistor sein kann, ist die Spule 1 an die gleichgerichtete Klemmenspannung angeschlossen.

Die Spannungεüberwachung in der Einheit 12 sorgt dafür, daß der Einschaltvorgang erst beim Überschreiten einer definier¬ ten Einschaltschwelle, beispielsweise bei 70 % Nennspannung, freigegeben wird. Dadurch kann verhindert werden, daß das Schütz an den Hauptkontakten hängen bleibt und verschweißt.

Nach der Freigabe wird der magnetische Fluß durch die Spule 1, d.h. der Spulenfluß, nicht aber der magnetische Fluß im Arbeitsspalt des Magnetsystems beim Einschaltvorgang erfaßt und zur Regelung verwendet. Für den Spulenfluß wird eine obere und untere Schwelle festgelegt. Daε Schaltelement 13 bleibt geεchloεsen, solange der Spulenfluß unterhalb der oberen Schwelle bleibt. Beim Überschreiten der oberen Schwelle wird das Schaltelement 13 geöffnet und der Spulen¬ fluß wird wieder kleiner. Beim Unterschreiten der unteren Schwelle wird das Schaltelement 13 wieder geschlossen.

Durch diese Regelung wird erreicht, daß der magnetische Fluß durch die Spule 1 innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleibt. Insbesondere kann damit der Spulenfluß auf einen solchen Be¬ reich geregelt werden, der zwischen 0,01 und 10 % des Spulen- flusses, insbesondere zwischen 0,05 und 5 %, liegt.

Zur näheren Spezifizierung des Regelbereiches wurden Versuche am Siemens-Schütz 3TF56 durchgeführt, um Grundlagen für Simu¬ lationsrechnungen zu erhalten. Diese sind in Figur 2, in der der magnetische Fluß φ einerseitε und der zugehörige Strom I andererseits als Funktion der Zeit dargestellt sind, verdeut¬ licht. Beispielsweise ergibt sich, daß für einen Spulenfluß von 1,35 bis 1,4 V-s eine Schaltfrequenz von 400 Hz eine Fensterbreite von etwa 3,6 % realisiert. Da nach Möglichkeit eine Frequenz außerhalb des Höhrbereiches, d.h. oberhalb von etwa 20 kHz, erwünscht wäre, ergeben sich damit Fensterbrei- ten von Werten bis zu 0,01 %. Somit ist ein schmaler Bereich in der Weise definiert, wie er bisher nicht in Betracht ge¬ zogen wurde.

Aus Figur 2 ergibt sich weiterhin, daß der Spulenfluß 0(t) zeitunabhängig ist. Für die Stromkurve I{t) ergibt sich dagegen, daß der Strom entsprechend dem Kurvenverlauf I nach etwa 50 ms wieder absinkt.

Zur Regelung des Spulenflusεeε im vorgegebenen schmalen Bereich ist die Erfassung des Spulenflusses notwendig, die mit bekannten unterschiedlichen Verfahren erfolgen kann.

In Figur 3 ist das Magnetsystem 20 aus der Spule 21, ent¬ sprechend Spule 1 in Figur 1, Joch 22 und Anker 23 gebildet. Am Joch 22 des Magnetsystems 20 ist eine Hilfsspule 24 ange¬ bracht, welche die induzierte Spannung erfaßt. Das zeitliche Integral dieser Spannung ist ein Maß für die Änderung des Spulenflusses . Die erreichbare Genauigkeit reicht während der Anzugsphase aus. Da in der Haltephaεe die induzierte Spannung nicht beherrεchbar ist, können bei diesem Meßverfahren Off- set-Fehler zu einem Weglaufen des Integrators führen, weshalb geeignete Ausgleichsmaßnahmen ergriffen werden müssen.

In Figur 4 ist am gleichen Magnetsystem 20 wie in Figur 3 eine Magnetfeldsonde 34 angebracht, die das B- oder H-Feld erfaßt. Dazu muß gegebenenfalls ein Schlitz 25 im Magnet¬ system 20 eingebracht werden. Das B- oder H-Feld ist ein Maß für den magnetischen Fluß durch die Spule 21. Besonders vor¬ teilhaft ist, daß in diesem Fall kein Integrator benötigt wird. Figur 5 ergibt sich im weεentlichen aus der Kombination von Figur 1 und Figur 4. Im elektrischen Ansteuerbaustein sind die Ansteuerleitungen für die Spule 1 gemäß Figur 1 bzw. 21 gemäß Figur 4 durch eine Diode überbrückt. In der Nut 25 ist eine geeignete Magnetfeldsonde 34 eingebracht.

Ausgenutzt wird in Figur 5, daß im magnetischen Joch 22 vorteilhafterweise ein Zwangsluftspalt 30 vorhanden ist. Derartige Zwangsluftspalte sind üblicherweise bereits bei der Herstellung der Joch aus laminiertem Eisen vorgesehen und mit einer Folie aus Isolationsmaterial ausgefüllt, εo daß eine εtabile Verbindung der beiden Jochteile vorliegt.

Bei der Anordnung gemäß Figur 5 ergibt εich durch die spezi- fische Geometrie von Schlitz 25 und Zwangsluftspalt 30, daß zwischen Zwangsluftεpalt 30 und Blindεpalt 25 ein magneti¬ scher Spannungsteiler realisiert wird. Durch Änderung der Geometrie lassen sich dabei die magnetischen Verhältnisse beeinflussen. Ein εchmalerer Zwangεluftεpalt reduziert den zum Halten benötigten Spulenfluß εtark. Er wirkt εich jedoch kaum auf den zum Aufbringen der Anzugεkraft im offenen Zu- εtand benötigten magnetischen Spulenfluß aus. Deshalb kann die Variation der Breite b des Zwangsluftspaltes insbesondere dazu verwendet werden, den im geschlossenen Zustand erforder- liehen magnetischen Spulenfluß so anzupassen, daß er den gleichen Wert aufweist wie der im offenen Zustand benötigte Spulenfluß.

Claims

Patentanεprüche

1. Ansteuergerät für Schaltgeräte, insbesondere für Schütze oder Relais, mit einem Magnetsyεtem, das eine Spule mit Anker und Joch umfaßt, und mit einer Einrichtung zur Regelung des magnetischen Flusses im Magnetsystem, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß mit der Regeleinrichtung (10) der magnetische Fluß auf einen vorgegebenen Bereich geregelt wird, der zeit- und wegunabhängig ist.

2. Ansteuergerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der magnetische Fluß beim Einschalt- und Haltevorvorgang erfaßt und zur Regelung ver¬ wendet wird.

3. Ansteuergerät nach Anspruch 2, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß mit der Regeleinrichtung (10) der magnetische Fluß in der Spule (1, 21) (Spulenfluß) ge¬ regelt wird.

4. Ansteuergerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß für den magnetischen Fluß der Spule (1, 21) eine obere und eine untere Schwelle definiert ist .

5. Ansteuergerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Breite des Bereiches für den geregelten Spulenfluß zwiεchen 0,01 und 10 %, vorzugε¬ weise zwischen 0,05 und 5 %, deε Magnetflusses liegt.

6. Ansteuergerät nach Anspruch 5, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Breite des Bereiches für den geregelten Spulenfluß in Abhängigkeit von der gewünschten Schaltfrequenz gewählt ist.

7. Ansteuergerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Spule (1) über ein εteuerbares Schaltelement (15) und einen Gleichrichter (5) an die Klemmenspannung angeschlossen ist .

8. Ansteuergerät nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Regeleinrichtung (10) eine Einheit zur Spannungsüberwachung (12) enthält, mit der der Einschaltvorgang erst beim Überschreiten einer definier¬ ten Einschaltschwelle, beispielsweise 70 % Nennspannung, freigegeben wird.

9. Ansteuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erfassung des magnetischen Flusses eine Hilfsεpule (24) mit Integrator (26) vorhanden ist.

10. Ansteuergerät nach Anspruch 9, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Hilfsspule (24) am Joch (22) Magnetsyεtemε (20) angebracht ist.

11. Ansteuergerät nach einem der Anεprüche 1 biε 8, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erfassung deε Spulenfluεses eine Magnetfeldsonde (34) vorhanden iεt.

12. Ansteuergerät nach Anspruch 11, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Magnetfeldεonde (34) in einem Schlitz (25) im Joch (22) des Magnetεystemε (20) ange¬ bracht ist .

13. Ansteuergerät nach Anspruch 12, wobei das Joch des Magnetsystems einen Zwangsluftspalt aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Schlitz (25) und der Zwangsluftspalt (30) im Joch (22) einen magnetischen Span¬ nungsteiler bilden.

14. Ansteuergerät nach Anspruch 13, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Zwangsluftspalt (30) eine vorgewählte Breite (b) hat.