WO2024056418A1 - Verfahren zur ansteuerung eines elektromechanischen schaltelements - Google Patents

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WO2024056418A1
WO2024056418A1 PCT/EP2023/074113 EP2023074113W WO2024056418A1 WO 2024056418 A1 WO2024056418 A1 WO 2024056418A1 EP 2023074113 W EP2023074113 W EP 2023074113W WO 2024056418 A1 WO2024056418 A1 WO 2024056418A1
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WO
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contacts
switching element
switch
coil
armature
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/074113
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English (en)
French (fr)
Inventor
Elmar Schaper
Fabian WINKEL
Original Assignee
Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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Publication date
Application filed by Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg filed Critical Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • 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
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/60—Auxiliary means structurally associated with the switch for cleaning or lubricating contact-making surfaces
    • H01H1/605—Cleaning of contact-making surfaces by relatively high voltage pulses
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
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    • 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
    • H01H47/002—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01H2047/006—Detecting unwanted movement of contacts and applying pulses to coil for restoring to normal status

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling an electromechanical switching element, as well as a universal component.
  • the contactor is opened and closed at least once when the contacts of the contactor come into contact with a contact resistance that is not below a defined value.
  • EP3185269B1 the operating current is superimposed with an electrical waveform.
  • the procedure can only be used for a switch-off process.
  • Measures such as repeating the switching process and applying a vibration to the contacts are known.
  • the measurement technology required for detecting contact states is also known, for example from DE 102018114425 A1 or WO 202194418 A1.
  • What is proposed is a method for controlling an electromechanical switching element, having at least a plurality of contacts, a coil with an iron core and an armature, whereby, if a predetermined condition is met, pulsing on and off during the switch-off process or pulsing off and on during the switch-on process of the switching element is carried out several times at a predetermined time within an overstroke range in such a way that the coil current flowing into the coil oscillates between a predetermined maximum value and a minimum value, so that the armature moves within the overstroke range and thereby the contacts rub against one another without moving away from each other solve, where the minimum value is defined as the current value at the time when the armature begins to separate from the iron core.
  • the predetermined condition is a detected error condition in which the contacts do not contact each other when switched on or do not loosen when switched off, or where the predetermined condition is a detection of a deterioration in the contact quality of the contacts.
  • the switch-on period or the switch-off period is selected until the coil current has reached the value that it had at a predetermined time after switching off or switching on.
  • the overstroke range is determined continuously during use for each electromechanical switching element, and in the event that this changes during the service life, the predetermined time for pulsing in or out within the overstroke range is adjusted.
  • a universal component comprising an electromechanical switching element, having a plurality of contacts and an armature, the armature being set up to move the contacts in such a way that they touch or separate from one another, and an integrated measuring technology for determining at least one Overtravel range in operation of the electromechanical switching element, and a microcontroller in signal connection with the electromechanical switching element, in which the method is implemented as a software program.
  • the universal component is designed as a relay base.
  • Figures 1-3 show views of an electromechanical switching element in different switching states according to the prior art.
  • Figure 4 shows a diagram showing a normal shutdown process and contact rubbing in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the proposed method is used in products with electromechanical switching elements 10, which have several contacts 7a, 7b, 7c and an armature 5.
  • electromechanical switching elements 10 of the proposed invention are installed in universal components such as universal bases e.g. in industrial automation (DC industrial networks), or in charging stations for electric vehicles, etc. are used.
  • the electromechanical switching elements 10 used here cannot generally be configured directly after production or based on one or more reference components, since depending on the application scenario, i.e. type of switching element, control voltage, installation position, installation location, etc., different influences have an effect that lead to changed properties of the Switching properties of the switching element can lead.
  • an electromechanical switching element 10 is controlled directly at the installation site to reduce errors.
  • This means that the control method is carried out within the universal component. Both measurement technology and a microcontroller are required for this and are installed in the universal component.
  • the universal component can be designed as a relay socket.
  • a relay 10 as an electromechanical switching element 10.
  • the method can also be used for other electromechanical switching elements, e.g. contactors.
  • the generic changeover contact can also be used in other devices such as. B. be integrated with a changeover switch.
  • the electromechanical switching element 10 includes three connections assigned to the changeover contact, which are referred to below according to the usual convention as COM connection (“common”) 2a, NC connection 2b (normally closed) and NO connection 2c (normally open). . Furthermore, the electromechanical switching element 10 comprises two relay coil connections 3a and 3b, via which a relay coil 3, also referred to as a coil 3 for short, of the electromechanical switching element 10 can be energized with a coil current I3.
  • a magnetic field is built up by the relay coil 3, which is guided in a magnetic core 4 and a force is applied to a movable relay armature 5, also referred to as anchor 5 for short, which in turn causes a movement of one or more contacts 7a, 7b, 7c (also referred to as contact elements or contact pills) assigned to the respective connections 2a, 2b, 2c via a slide 6.
  • FIG. 1 shows a state in which the relay 10 is open, i.e. contacts 7a and 7b are in contact with one another.
  • 2 shows a state in which the relay is closed, i.e. contacts 7a and 7c are in contact with one another.
  • a so-called overstroke is shown in Figure 3.
  • the contact 7a is in contact with contact 7c (relay 10 is closed) and is pressed against contact 7c by the slide 6 actuated by the armature 5, which is shown by the bending of the upper end of contact 7a.
  • the armature 5 does not touch the coil 3 (more precisely the iron core 8). This means that the connection of the contacts 7a and 7c is already conductive, but the bending of the contact elements still changes; this area is referred to below as the overtravel area.
  • the area B0 denotes the state in which the relay 10 is closed, i.e. the armature 5 is attracted to the coil 3. More precisely, the armature does not touch the coil 3, but the yoke or iron core 8 and is released in areas B1 and B2 of this, and the contacts 7a and 7c abut each other (as in Fig. 2), so that there is conductivity (denoted by the short dashed line L1).
  • the area B1 denotes the state of overtravel (as in FIG.
  • the area B2 shows the state in which the relay 10 is open, i.e. the contacts 7a, 7c are separated from one another, so that there is no longer any conductivity between the contacts 7a, 7c (as in Fig. 1).
  • the solid line represents the coil current I3. It can be seen that during the switch-off process, the coil current I3 decreases to a current minimum (minimum current) at time t_01. This current minimum is defined by the release of the armature 5 from the iron core 8 of the coil 3 (and can be detected shortly after release).
  • the coil current 13 increases again, which can be determined, for example, mathematically via the derivative (change from negative to positive).
  • the area BO transitions into the area B1 (overtravel).
  • the overtravel area B1 is left (area B2 in which the contacts 7a, 7c are open).
  • the period d_02 denotes the period of time between t_01 and t_12, in which the armature 5 is detached from the iron core 8 of the coil 3, but the contacts 7a, 7c are still in contact with one another.
  • the aim of the invention is to detect a faulty switching state which prevents the contacts 7a/7b or 7a/7c from coming apart from each other or in which the contacts 7a/7b or 7a/7c touch but do not conduct, and to detect this faulty switching state automatically to correct.
  • This is achieved by re-exciting the armature 5 within the overstroke region B1, whereby the contacts 7a, 7c are moved and rub against each other, as described below.
  • the switch-off process is considered, i.e. contacts 7a, 7c.
  • the proposed method can also be used when switching on.
  • the excitation in this embodiment a renewed switching on or pulsing (since no complete switch-on process is carried out), takes place at a time t_on within the overtravel area B1, i.e. within the period d_02.
  • the time t_ein is chosen so that it is at a (time) distance from t_01 and t_12.
  • the choice of time t_on can be made arbitrarily by the microcontroller. From this point in time t_in, the coil current, hereinafter referred to as 11, increases again (shown in FIG. 4 as a dashed line from t_in), whereby the contacts 7a, 7c are prevented from loosening.
  • the switching element 10 is therefore fully conductive even while the contacts are rubbing.
  • the coil current I3 (11) therefore oscillates between a (predetermined, freely selected) maximum current and a minimum current (defined by releasing the armature 5), which always causes a movement of the armature 5 in the overtravel area B1.
  • the time t_off of switching off is chosen somewhere between the maximum current marked “1” on the ordinate in Figure 4 (maximum coil current I3) and the minimum current (which is present at time t_01). In this version, the time t_off is selected at approximately 2/3 of the full coil current I3. However, a different switch-off time t_off and thus a different switch-off coil current I3 can also be selected for each control. For example, in a band of 90% to 40% of the coil current I3 can be excited.
  • the switch-off duration d_off results from the selected time t_off and the switch-on time t_on.
  • the switch-on duration d_on results from the period between the switch-on time t_on and the time t_off2, at which the coil current 11 reaches the same level as the switch-off coil current I3 at the time t_off.
  • the sum of d_out and d_in results in the frequency of the (pulse width) signal for control, and the ratio of d_out and d_in results in the duty cycle of the signal.
  • a high frequency of 50 Hz or more, in this version of 200 Hz, is preferably achieved.
  • the method is advantageously ended at the earliest when successful contacting of the contacts 7a, 7b (when switching on) or a loosening of the contacts 7a, 7c (when switching off) is detected. Monitoring is advantageously carried out continuously or at predetermined times. If no corresponding detection is possible after a predetermined period of time, the relay 10 is switched off and an error signal is output.
  • the result of the proposed renewed excitation is therefore that the contacts 7a, 7c rub against each other several times, but are not opened (separated from each other), so that the conductive connection between them remains, as indicated by the dotted line L2 in Figure 4.
  • the term multiple means that the pulsing on and off (in the switch-off process) or the off and on (in the switch-on process) is repeated several times, preferably until the error condition is no longer detected, with a limitation to a duration or frequency of rubbing can be provided.
  • a complete switching cycle is not completed during excitation. Rather, a renewed excitation takes place within the overtravel area B1, i.e. within the period d_02 between releasing the armature 5 and releasing the contacts 7a, 7c at a time t_ein, i.e. before the contacts 7a, 7c separate from one another.
  • the method is event-based and is advantageously carried out when an error condition has been detected, i.e. when the contacts 7a, 7c do not come loose or a conductive connection can no longer be established due to deposits.
  • the method can also be carried out under a condition other than a currently detected error condition, for example as a preventive measure. It can be carried out based on the detection of an impending error condition, i.e. preventatively.
  • an impending error condition i.e. preventatively.
  • this Switching element 10 is in a state of degradation (deterioration in the contact quality of the contacts 7a, 7b, 7c).
  • no error condition has yet been detected in which the contacts 7a, 7c no longer separate from one another (when the relay 10 is switched off) or do not form a conductive connection (when the relay 10 is switched on)
  • the error condition is already indicated so expected. Then the procedure can be carried out preventively.
  • the method can also be carried out preventively after a fixed number of switching operations of the relay 10.
  • the method can be carried out both in the switch-on process and in the switch-off process, since in both processes the error condition can occur that the contacts 7a/7c, 7a/7b do not separate from one another or do not conduct.
  • data are collected at the beginning of use of the electromechanical switching element 10, i.e. after installation in the application, during each switching process in order to be able to determine the overtravel range B1.
  • this can be determined from the time difference between the first change in sign of the time derivative of the coil current and the first change in the conductivity of the contacts 7a/7c, 7a/7b.
  • a universal component which has both the required measurement technology, for example for measuring current, and a microcontroller that can carry out the corresponding calculations and takes over the control of the relay 10.
  • the method is implemented as a software program in the microcontroller. It is also used to control the relay 10, for example using a PWM signal.
  • An advantage of the method is that a large number of system failures caused by faulty relays 10 can be prevented.
  • the system has a short response time, which means that the operation of systems can continue uninterrupted.
  • Another advantage of the method is that rubbing can be stopped immediately if the device is not switched on again, as there is no oscillating behavior.
  • the technical implementation as a self-sufficient universal switching component ensures minimal application effort for the user.

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  • Relay Circuits (AREA)
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Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements, mindestens aufweisend mehrere Kontakte, eine Spule mit einem Eisenkern und einen Anker, wobei im Falle, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, im Ausschaltvorgang ein Ein- und Auspulsen oder im Einschaltvorgang ein Aus- und Einpulsen des Schaltelements zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb eines Überhubbereichs mehrfach derart ausgeführt wird, dass der in die Spule fließende Spulenstrom zwischen einem vorgegebenen Maximalwert und einem Minimalwert pendelt, so dass der Anker sich innerhalb des Überhubbereichs bewegt und dadurch die Kontakte aneinander reiben ohne sich dabei voneinander zu lösen, wobei der Minimalwert definiert ist als der Stromwert zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Anker von dem Eisenkern zu lösen beginnt.

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements, sowie eine Universalkomponente.
Beim Schalten von elektromechanischen Schaltelementen wie z.B. Relais können sich zwei Fehlerbilder ergeben. In einem Fall kann ein Relais durch einen Einschaltvorgang nicht kontaktieren, in einem anderen Fall kann der Stromfluss über die Kontakte durch einen Ausschaltvorgang nicht unterbrochen werden. Die Gründe für diese Fehlerbilder sind vielfältig, wobei u.a. mechanisches Verhaken, Oxidschichten und Verschweißen der Kontakte denkbar sind. Eine Mehrzahl der Gründe ist jedoch reversibel, d.h. wenn die Kontakte z.B. einmal mechanisch verhakt waren, dann können sie trotzdem wieder gelöst werden und das Relais kann für viele Tausend Schaltzyklen weitergenutzt werden. Somit ist es möglich, einen fehlerhaften Schaltzustand eines Relais durch ein erneutes Betätigen zu korrigieren.
In der DE102014211400A1 erfolgt beispielsweise ein wenigstens einmaliges Öffnen und Schließen des Schützes, wenn sich die Kontakte des Schützes mit einem Kontaktwiderstand kontaktieren, der nicht unterhalb eines definierten Werts liegt.
In der EP3185269B1 erfolgt eine Überlagerung des Betriebsstroms mit einer elektrischen Wellenform. Das Verfahren ist nur für einen Ausschaltvorgang anwendbar.
Bekannt sind Maßnahmen wie ein Wiederholen des Schaltvorgangs, sowie ein Anlegen einer Vibration an die Kontakte. Auch ist die erforderliche Messtechnik zur Erfassung von Kontaktzuständen bekannt, z.B. aus der DE 102018114425 A1 oder der WO 202194418 A1.
Allerdings sind die bekannten Verfahren immer noch verbesserungswürdig, um Ausfälle von Schaltelementen zu verhindern oder einen Ausfall zu verzögern.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements bereitzustellen, durch welches klebende Kontaktelemente vermieden oder wieder gelöst werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements, mindestens aufweisend mehrere Kontakte, eine Spule mit einem Eisenkern und einen Anker, wobei im Falle, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist, im Ausschaltvorgang ein Ein- und Auspulsen oder im Einschaltvorgang ein Aus- und Einpulsen des Schaltelements zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb eines Überhubbereichs mehrfach derart ausgeführt wird, dass der in die Spule fließende Spulenstrom zwischen einem vorgegebenen Maximalwert und einem Minimalwert pendelt, so dass der Anker sich innerhalb des Überhubbereichs bewegt und dadurch die Kontakte aneinander reiben ohne sich dabei voneinander zu lösen, wobei der Minimalwert definiert ist als der Stromwert zu dem Zeitpunkt, an dem sich der Anker von dem Eisenkern zu lösen beginnt.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die vorgegebene Bedingung ein erkannter Fehlerzustand ist, bei dem sich die Kontakte beim Einschalten nicht kontaktieren oder beim Ausschalten nicht lösen, oder wobei die vorgegebene Bedingung ein Erfassen einer Verschlechterung der Kontaktgüte der Kontakte ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Einschaltdauer oder die Ausschaltdauer so lange gewählt wird, bis der Spulenstrom den Wert erreicht hat, den er zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Ausschalten bzw. dem Einschalten hatte.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass für jedes elektromechanische Schaltelement kontinuierlich während der Verwendung der Überhubbereich ermittelt wird, und im Falle, dass sich dieser während der Lebensdauer verändert, der vorgegebene Zeitpunkt zum Einpulsen bzw. Auspulsen innerhalb des Überhubbereichs angepasst wird.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass eine kontinuierliche Überwachung erfolgt, ob die vorgegebene Bedingung erfüllt ist. In einer weiteren Ausführung ist eine Universalkomponente vorgesehen, aufweisend ein elektromechanisches Schaltelement, aufweisend mehrere Kontakte und einen Anker, wobei der Anker dazu eingerichtet ist, die Kontakte derart zu bewegen, dass sie sich berühren oder voneinander lösen, und eine integrierte Messtechnik zur Bestimmung zumindest eines Überhubbereichs im Betrieb des elektromechanischen Schaltelements, und einen mit dem elektromechanischen Schaltelement in Signalverbindung stehenden Mikrocontroller, in dem das Verfahren als Softwareprogramm implementiert ist.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Universalkomponente als Relaissockel gebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figuren 1-3 zeigen Ansichten eines elektromechanischen Schaltelements in unterschiedlichen Schaltzuständen gemäß dem Stand der Technik.
Figur 4 zeigt ein Diagramm mit einem normalen Abschaltvorgang und einem Reiben der Kontakte gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anwendung findet das vorgeschlagene Verfahren in Produkten mit elektromechanischen Schaltelementen 10, die mehrere Kontakte 7a, 7b, 7c und einen Anker 5 aufweisen. Insbesondere sind elektromechanische Schaltelemente 10 der vorgeschlagenen Erfindung in Universalkomponenten wie Universalsockeln verbaut, die z.B. in der industriellen Automatisierung (DC- Industrienetze), oder auch in Ladesäulen für Elektrofahrzeuge, etc. Anwendung finden. Die hier verwendeten elektromechanischen Schaltelemente 10 können in der Regel nicht direkt nach Produktion oder basierend auf einem oder mehreren Referenzbauteilen konfiguriert werden, da je nach Einsatzszenario, also Art des Schaltelements, Steuerspannung, Einbaulage, Einbauort etc. unterschiedliche Einflüsse wirken, die zu veränderten Eigenschaften der Schalteigenschaften des Schaltelements, führen können.
Deshalb wird gemäß der Erfindung eine Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements 10 zur Fehlerverringerung direkt am Einbauort vorgenommen. Das heißt, dass das Verfahren zur Ansteuerung innerhalb der Universalkomponente ausgeführt wird. Hierfür sind sowohl Messtechnik als auch ein Mikrocontroller nötig und in der Universalkomponente verbaut. Die Universalkomponente kann dabei als Relaissockel ausgeführt sein.
Nachfolgend wird lediglich auf ein Relais 10 als elektromechanisches Schaltelement 10 Bezug genommen. Allerdings kann das Verfahren auch für andere elektromechanische Schaltelemente verwendet werden, z.B. Schütze. Neben der hier dargestellten Ausführungsform, bei der ein Wechslerkontakt Bestandteil eines elektromechanischen Schaltelements 10 ist, kann der gattungsgemäße Wechslerkontakt jedoch auch in anderen Vorrichtungen wie z. B. einem Wechselschalter integriert sein.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines dreipoligen Wechslerkontakts gemäß einer allgemeinen Ausführungsform gezeigt. Vorliegend ist der Wechslerkontakt dabei lediglich beispielhaft ein Teil eines elektromechanischen Schaltelements 10 bzw. Wechslerrelais. Das elektromechanische Schaltelement 10 umfasst dabei drei, dem Wechslerkontakt zugeordnete Anschlüsse, welche im Folgenden gemäß der üblichen Konvention als COM-Anschluss („common“) 2a, NC-Anschluss 2b (normally closed) und NO-Anschluss 2c (normally open) bezeichnet werden. Weiterhin umfasst das elektromechanische Schaltelement 10 zwei Relaisspulenanschlüsse 3a und 3b, über die eine Relaisspule 3, kurz auch als Spule 3 bezeichnet, des elektromechanischen Schaltelements 10 mit einem Spulenstrom I3 bestromt werden kann. Über den Stromfluss wird von der Relaisspule 3 ein magnetisches Feld aufgebaut, das in einem magnetischen Kem 4 geführt wird und eine Kraft auf einen beweglichen Relaisanker 5, kurz auch als Anker 5 bezeichnet, ausübt, der wiederum über einen Schieber 6 eine Bewegung ein oder mehrerer, den jeweiligen Anschlüssen 2a, 2b, 2c zugeordneter Kontakte 7a, 7b, 7c (auch als Kontaktelemente bzw. Kontaktpillen bezeichnet) verursacht.
In Figur 1 ist ein Zustand gezeigt, in dem das Relais 10 geöffnet ist, d.h. Kontakte 7a und 7b liegen aneinander an. In Figur 2 ist ein Zustand gezeigt, in dem das Relais geschlossen ist, d.h. Kontakte 7a und 7c liegen aneinander an. In Figur 3 ist ein sogenannter Überhub gezeigt. Hierbei liegt der Kontakt 7a an Kontakt 7c an (Relais 10 ist geschlossen) und wird durch den vom Anker 5 betätigten Schieber 6 gegen Kontakt 7c gedrückt, was durch die Biegung des oberen Endes von Kontakt 7a dargestellt ist. Sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten des Relais 10 ergibt sich ein Bereich, bei dem die Kontakte 7a und 7c sich berühren, der Anker 5 jedoch nicht die Spule 3 (genauer den Eisenkern 8) berührt. D.h. die Verbindung der Kontakte 7a und 7c ist bereits leitfähig, aber die Biegung der Kontaktelemente ändert sich noch, dieser Bereich wird im folgenden Überhubbereich genannt.
In Figur 4 wird ein zeitlicher Verlauf eines Ausschaltvorgangs für ein z.B. als Relais gebildetes elektromechanisches Schaltelement 10 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Auf der Ordinate wird eine normalisierte Messgröße x/X_max angegeben. Dabei bezeichnet der Bereich B0 den Zustand, in dem das Relais 10 geschlossen ist, also der Anker 5 an die Spule 3 angezogen wird, genauer berührt der Anker nicht die Spule 3, sondern das Joch bzw. Eisenkern 8 und löst sich in Bereichen B1 und B2 von diesem, und die Kontakte 7a und 7c aneinander anliegen (wie in Fig. 2), so dass eine Leitfähigkeit besteht (mit der kurz gestrichelten Linie L1 bezeichnet). Der Bereich B1 bezeichnet den Zustand des Überhubs (wie in Fig. 3), an dem zwar der Anker 5 von der Spule 3 gelöst ist, aber die Kontakte 7a, 7c noch nicht voneinander gelöst sind. Der Bereich B2 zeigt den Zustand, in dem das Relais 10 offen ist, also die Kontakte 7a, 7c voneinander gelöst sind, so dass keine Leitfähigkeit mehr zwischen den Kontakten 7a, 7c besteht (wie in Fig. 1 ). Die durchgezogene Linie stellt den Spulenstrom I3 dar. Dabei ist zu sehen, dass im Abschaltvorgang der Spulenstrom I3 bis zu einem Stromminimum (Minimalstrom) zum Zeitpunkt t_01 abnimmt. Dieses Stromminimum wird durch das Lösen des Ankers 5 vom Eisenkern 8 der Spule 3 definiert (und kann kurz nach dem Lösen detektiert werden). Zu dem Zeitpunkt t_01 , an dem sich der Anker 5 zu lösen anfängt, steigt der Spulenstrom 13 wieder an, was z.B. rechnerisch über die Ableitung (Änderung von negativ nach positiv) ermittelt werden kann. An diesem Zeitpunkt t_01 geht der Bereich BO in den Bereich B1 (Überhub) über. Zu dem Zeitpunkt t_12, an dem sich die Kontakte 7a, 7c öffnen, wird der Überhubbereich B1 verlassen (Bereich B2, in dem die Kontakte 7a, 7c offen sind). Der Zeitraum d_02 bezeichnet die Zeitspanne zwischen t_01 und t_12, in dem der Anker 5 zwar vom Eisenkern 8 der Spule 3 gelöst ist, aber die Kontakte 7a, 7c noch aneinander anliegen.
Ziel der Erfindung ist es, einen fehlerhaften Schaltzustand zu erkennen, welcher ein Lösen der Kontakte 7a/7b oder 7a/7c voneinander verhindert oder bei dem sich die Kontakte 7a/7b oder 7a/7c berühren, aber nicht leiten, und diesen fehlerhaften Schaltzustand automatisch zu korrigieren. Dies wird durch ein erneutes Anregen des Ankers 5 innerhalb des Überhubbereichs B1 erreicht, wodurch die Kontakte 7a, 7c bewegt werden und aneinander reiben, wie nachfolgend beschrieben. Dabei wird insbesondere der Ausschaltvorgang betrachtet, also Kontakte 7a, 7c. Allerdings kann das vorgeschlagene Verfahren auch beim Einschalten angewendet werden. Je nach Einbau gibt es beim Wechsler zwei Ausschaltfehler (NO 2c-COM 2a; COM 2a-NC 2b), aber auch Einschaltfehler für diese Kontaktpaare, sodass beim Wechslerrelais insgesamt vier Fehler korrigiert werden: Kontakte NO 2c-COM 2a lösen sich nicht, NO 2c-COM 2a leiten nicht, COM 2a-NC 2b lösen sich nicht, COM 2a-NC 2b leiten nicht.
Da nachfolgend auf den Ausschaltvorgang abgestellt wird, wird das Verfahren auch nur anhand der Kontakte 7a, 7c beschrieben. Die entsprechenden Parameter, z.B. 11 , t_ein, d_ein, L2, sind zusätzlich in Figur 4 eingetragen, um die Wirkungsweise des Verfahrens zu verdeutlichen.
Das Anregen, in dieser Ausführung ein erneutes Einschalten bzw. Einpulsen (da kein vollständiger Einschaltvorgang ausgeführt wird), erfolgt zu einem Zeitpunkt t_ein innerhalb des Überhubbereichs B1 , also innerhalb des Zeitraums d_02. Vorteilhafterweise wird der Zeitpunkt t_ein so gewählt, dass er in einem (zeitlichen) Abstand zu t_01 und t_12 liegt. Die Wahl des Zeitpunkts t_ein kann willkürlich durch den Mikrocontroller erfolgen. Ab diesem Zeitpunkt t_ein steigt dann der Spulenstrom, nachfolgend als 11 bezeichnet, wieder an (in Figur 4 als gestrichelte Linie ab t_ein dargestellt), wodurch die Kontakte 7a, 7c an einem Lösen gehindert werden. Allerdings erfahren sie dennoch eine Anregung innerhalb des Überhubbereichs und werden voneinander durch die Federkraft auf unterschiedlichen Trajektorien bewegt, sodass die Kontakte aneinander reiben, oder Kräfte auf einer Verbindung der Kontakte ausgeübt werden. Während der Spulenstrom 11 wieder ansteigt, werden die Kontakte 7a, 7c wieder aneinandergedrückt. Wenn der Spulenstrom 11 einen vorgegebenen Stromwert erreicht, der im Abschaltvorgang zu einem Zeitpunkt t_aus gewählt wurde, erfolgt ein erneutes Ausschalten, wodurch die Kontakte 7a, 7c wieder eine Anregung erfahren und voneinander durch die Federkraft auf unterschiedlichen Trajektorien bewegt, sodass die Kontakte aneinander reiben, oder Kräfte auf einer Verbindung der Kontakte ausgeübt werden. Dies kann mehrere Male wiederholt werden. Somit wird ein Reiben der Kontakte 7a, 7c erzeugt, ohne dass diese sich voneinander lösen, d.h. ohne dass ein vollständiger Schaltzyklus durchlaufen wird. Das Schaltelement 10 ist also auch während des Reibens der Kontakte voll leitend. Der Spulenstrom I3 (11) pendelt also zwischen einem (vorgegebenen, frei gewählten) Maximalstrom und einem (durch das Lösen des Ankers 5 definierten) Minimalstrom, wodurch stets eine Bewegung des Ankers 5 im Überhubbereich B1 hervorgerufen wird.
Der Zeitpunkt t_aus des Ausschaltens wird dabei irgendwo zwischen dem in Figur 4 auf der Ordinate mit „1“ bezeichneten Maximalstrom (maximaler Spulenstrom I3) und dem Minimalstrom (welcher zum Zeitpunkt t_01 vorhanden ist) gewählt. In dieser Ausführung ist der Zeitpunkt t_aus bei ca. 2/3 des vollen Spulenstroms I3 gewählt. Es kann aber auch je Ansteuerung ein anderer Ausschaltzeitpunkt t_aus und damit ein anderer Ausschalt-Spulenstrom I3 gewählt werden. Beispielsweise kann in einem Band von 90% bis 40% des Spulenstroms I3 angeregt werden.
Aus dem gewählten Zeitpunkt t_aus und dem Einschaltzeitpunkt t_ein ergibt sich die Ausschaltdauer d_aus. Die Einschaltdauer d_ein ergibt sich aus dem Zeitraum zwischen dem Einschaltzeitpunkt t_ein und dem Zeitpunkt t_aus2, an dem der Spulenstrom 11 dieselbe Höhe erreicht wie der Ausschalt-Spulenstrom I3 zum Zeitpunkt t_aus. Aus der Summe von d_aus und d_ein ergibt sich die Frequenz des (Pulsweiten)signals zur Ansteuerung, und aus dem Verhältnis von d_aus und d_ein der Duty-Cycle des Signals. Dabei wird bevorzugt eine hohe Frequenz von 50 Hz oder mehr, in dieser Ausführung von 200 Hz erreicht. Das Verfahren wird vorteilhaft frühestens dann beendet, wenn eine erfolgreiche Kontaktierung der Kontakte 7a, 7b (beim Einschalten) oder ein Lösen der Kontakte 7a, 7c (beim Ausschalten) detektiert wird. Die Überwachung erfolgt vorteilhaft kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeitpunkten. Sollte keine entsprechende Detektion nach einem vorgegebenen Zeitraum möglich sein, wird das Relais 10 abgeschaltet und ein Fehlersignal ausgegeben.
Das Resultat des vorgeschlagenen erneuten Anregens ist also, dass die Kontakte 7a, 7c mehrfach aneinander reiben, aber dabei nicht geöffnet (voneinander getrennt) werden, so dass die leitende Verbindung dazwischen bestehen bleibt, wie durch die gepunktete Linie L2 in Figur 4 angedeutet. Unter dem Begriff mehrfach ist zu verstehen, dass das Ein- und Auspulsen (im Ausschaltvorgang) bzw. das Aus- und Einpulsen (im Einschaltvorgang) mehrfach wiederholt wird, vorzugsweise solange, bis der Fehlerzustand nicht mehr erfasst wird, wobei eine Begrenzung auf eine Dauer oder Häufigkeit des Reibens vorgesehen sein kann.
Bei der Anregung wird außerdem kein vollständiger Schaltzyklus durchlaufen. Vielmehr erfolgt eine erneute Anregung innerhalb des Überhubbereichs B1 , also innerhalb des Zeitraums d_02 zwischen Lösen des Ankers 5 und Lösen der Kontakte 7a, 7c zu einem Zeitpunkt t_ein, also noch bevor sich die Kontakte 7a, 7c voneinander lösen.
Das Verfahren ist eventbasiert und wird vorteilhaft dann ausgeführt, wenn ein Fehlerzustand erkannt wurde, also wenn die Kontakte 7a, 7c sich nicht lösen oder aufgrund von Ablagerungen keine leitfähige Verbindung mehr hergestellt werden kann. Durch das aufgrund des mehrfachen Ein- und Auspulsens (im Ausschaltvorgang) bzw. das Aus- und Einpulsens (im Einschaltvorgang) resultierende Reiben werden Verunreinigungen zwischen den Kontakten gelöst oder aufgetragenes Material abgerieben.
Aber das Verfahren kann auch unter einer anderen Bedingung als einem aktuell erkannten Fehlerzustand ausgeführt werden, z.B. vorbeugend. Es kann aufgrund eines Erkennens eines sich andeutenden Fehlerzustands ausgeführt werden, also vorbeugend. Dabei kann im Falle, dass z.B. ein Schwingen im Spulenstrom I3 am Ende eines Schaltvorgangs erkannt wird, darauf geschlossen werden, dass das Schaltelement 10 in einem Degradationszustand (Verschlechterung der Kontaktgüte der Kontakte 7a, 7b, 7c) ist. Dabei ist zwar noch kein Fehlerzustand erfasst worden, an dem die Kontakte 7a, 7c sich nicht mehr voneinander lösen (beim Ausschalten des Relais 10) oder keine leitende Verbindung eingehen (beim Einschalten des Relais 10), aber der Fehlerzustand deutet sich bereits an, wird also erwartet. Dann kann das Verfahren vorbeugend ausgeführt werden.
Auch kann in einer weniger bevorzugten Ausführung das Verfahren nach einer fest vorgegebenen Anzahl an Schaltvorgängen des Relais 10 vorbeugend ausgeführt werden.
Wie bereits erwähnt, kann das Verfahren sowohl im Einschaltvorgang als auch im Ausschaltvorgang ausgeführt werden, da in beiden Vorgängen der Fehlerzustand auftreten kann, dass sich die Kontakte 7a/7c, 7a/7b nicht voneinander lösen bzw. nicht leiten.
Damit das Verfahren ausgeführt werden kann, werden zu Beginn der Verwendung des elektromechanischen Schaltelements 10, also nach Einbau in der Anwendung, während jedes Schaltvorgangs Daten (Spulenstrom I3, Zeiten t) gesammelt, um den Überhubbereich B1 bestimmen zu können. Wie bereits oben beschrieben, kann dieser aus der zeitlichen Differenz zwischen dem ersten Vorzeichenwechsel der zeitlichen Ableitung des Spulenstroms und der ersten Änderung der Konduktivität der Kontakte 7a/7c, 7a/7b ermittelt werden. Durch die Erfassung der Daten bei möglichst jedem Schaltvorgang kann somit eine Anpassung des Überhubbereichs B1 erfolgen, der sich z.B. aufgrund der Alterung des Relais 10 während der Lebensdauer verschieben kann. Das Verfahren ist also adaptiv.
Um die Daten zu erfassen und die Anpassung auszuführen, ist eine Universalkomponente vorgesehen, welche sowohl die benötigte Messtechnik z.B. zum Strommessen aufweist, als auch einen Mikrocontroller, der die entsprechenden Berechnungen ausführen kann, und die Ansteuerung des Relais 10 übernimmt. In dem Mikrocontroller ist das Verfahren als Softwareprogramm implementiert. Er dient auch zur Ansteuerung des Relais 10 z.B. mittels einem PWM-Signal. Ein Vorteil des Verfahren ist, dass eine Vielzahl der Ausfälle der Anlagen durch fehlerhafte Relais 10 verhindert werden kann. Außerdem hat das System eine geringe Reaktionszeit, wodurch der Betrieb von Anlagen ununterbrochen fortgesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass das Reiben sofort beendet werden kann, wenn kein erneutes Einschalten erfolgt, da es kein Schwingverhalten gibt. Außerdem sorgt die technische Realisierung als autarke Universalschaltkomponente für einen minimalen Applikationsaufwand der Anwender.
Bezugszeichenliste
COM-Anschluss
2b NC-Anschluss
2c NO-Anschluss
3 Relaisspule
3a, 3b Relaisspulenanschlüsse
4 magnetischer Kem
5 Relaisanker
6 Schieber
7a-7c Kontaktelemente
8 Eisenkern
10 elektromechanisches Schaltelement, z.B. Relais
BO Ankerposition Kontakte geschlossen
B1 Ankerposition Überhub (Überhubbereich)
B2 Ankerposition Kontakte offen
I3 Spulenstrom
11 Spulenstrom bei Reiben
I3_max, I1_max Maximalwert Spulenstrom
I3_min Minimalwert Spulenstrom L1 , L2 Leitfähigkeit t Zeit t_aus Ausschaltzeitpunkt t_aus2 Ausschaltzeitpunkt Reiben t_ein Einschaltzeitpunkt t_12 Zeitpunkt, an dem Kontakte öffnen t_01 Zeitpunkt, an dem sich Anker löst d_02 Zeitraum/Dauer Überhub d_aus Ausschaltdauer d_ein Einschaltdauer

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Ansteuerung eines elektromechanischen Schaltelements (10), mindestens aufweisend mehrere Kontakte (7a, 7b, 7c), eine Spule (3) mit einem Eisenkern (8) und einen Anker (5), wobei
- im Falle, dass eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist,
- im Ausschaltvorgang ein Ein- und Auspulsen oder im Einschaltvorgang ein Aus- und Einpulsen des Schaltelements (10) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (t_ein) innerhalb eines Überhubbereichs (B1 ) mehrfach derart ausgeführt wird, dass der in die Spule (3) fließende Spulenstrom (I3, 11 ) zwischen einem vorgegebenen Maximalwert (I3_max; I1_max) und einem Minimalwert (I3_min) pendelt, so dass der Anker (5) sich innerhalb des Überhubbereichs (B1 ) bewegt und dadurch die Kontakte (7a, 7b, 7c) aneinander reiben ohne sich dabei voneinander zu lösen, wobei der Minimalwert (I3_min) definiert ist als der Stromwert zu dem Zeitpunkt (t_01 ), an dem sich der Anker (5) von dem Eisenkern (8) zu lösen beginnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die vorgegebene Bedingung ein erkannter Fehlerzustand ist, bei dem sich die Kontakte beim Einschalten nicht kontaktieren oder beim Ausschalten nicht lösen, oder wobei die vorgegebene Bedingung ein Erfassen einer Verschlechterung der Kontaktgüte der Kontakte (7a, 7b, 7c) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einschaltdauer (d_ein) oder die Ausschaltdauer so lange gewählt wird, bis der Spulenstrom (11 ) den Wert erreicht hat, den er zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (t_aus) nach dem Ausschalten bzw. dem Einschalten hatte.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jedes elektromechanische Schaltelement (10) kontinuierlich während der Verwendung der Überhubbereich (B1 ) ermittelt wird, und im Falle, dass sich dieser während der Lebensdauer verändert, der vorgegebene Zeitpunkt (t_ein) zum Einpulsen bzw. Auspulsen innerhalb des Überhubbereichs (B1 ) angepasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine kontinuierliche Überwachung erfolgt, ob die vorgegebene Bedingung erfüllt ist.
6. Universalkomponente (100), aufweisend: - ein elektromechanisches Schaltelement (10), aufweisend mehrere Kontakte
(7a, 7b, 7c) und einen Anker (5), wobei der Anker dazu eingerichtet ist, die Kontakte (7a, 7b, 7c) derart zu bewegen, dass sie sich berühren oder voneinander lösen, und
- eine integrierte Messtechnik zur Bestimmung zumindest eines Überhubbereichs (B1 ) im Betrieb des elektromechanischen Schaltelements (10), und
- einen mit dem elektromechanischen Schaltelement (10) in Signalverbindung stehenden Mikrocontroller, in dem das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Softwareprogramm implementiert ist.
7. Universalkomponente (100) nach Anspruch 6, die als Relaissockel gebildet ist.
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