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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines elektromechanisch
betätigten Schaltgerätes. Die
Erfindung bezieht sich außerdem auf
ein nach diesem Verfahren betriebenes, elektromechanisch betätigtes Schaltgerät.
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Bei
einem elektromechanisch betätigten Schaltgerät (Schütz), dessen
Hauptkontakte ein Drehstromsystem schalten, hängt die Belastung der Schaltkontakte
davon ab, zu welchem exakten Zeitpunkt die Kontakte öffnen oder
schließen.
Die elektrische Belastung der Kontakte und damit auch deren Abbrand
durch den beim Öffnen
oder Schließen
entstehenden Lichtbogen hängt
wesentlich von der im Zeitpunkt der Kontaktöffnung oder des Kontaktschließens vorliegenden
Phase der Netzspannungen oder -ströme ab. Wird mit dem Schaltgerät ein Drehstromsystem,
beispielsweise ein Drehstrommotor geschaltet, und wird der elektromechanische
Antrieb mit einer Gleichspannung betrieben, die zufällig an-
und ausgeschaltet wird, ergibt sich für jeden der Kontakte eine Gleichverteilung
der Schaltwinkel, d.h. für
jeden Kontakt kommt jede Phasenlage gleich häufig vor. Daraus ergibt sich
für alle
Kontakte des Schaltgerätes
ein gleichmäßiger Abbrand,
weil jeder Kontakt dieselbe Mischung aus Schaltvorgängen mit
niedrigem und hohem Abbrand erlebt.
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Wird
der Antrieb des Schaltgerätes
mit Wechselspannung oder mit einer gleichgerichteten Wechselspannung
betrieben, hängen
die Abläufe
der Schließ-
und Öffnungsvorgänge zusätzlich davon
ab, welche Phasenlage die Versorgungsspannung des elektromechanischen
Antriebes zum Zeitpunkt seines Betätigens aufweist. In der Praxis
werden nun auch bei einer Gleichverteilung der Phasenlage der Versorgungsspannung
des Antriebs bei dessen Ein- und Ausschalten für jeden der drei Hauptkon takte sehr
unterschiedliche Häufigkeiten
in der Phase der Lastspannung bzw. -ströme beobachtet. Dieser Effekt
wird als Selbstsynchronisation bezeichnet und ist beispielsweise
bekannt aus G. Griepentrog, "Schaltsynchronisations-Effekt
bei AC-betätigten
Schützen", 14. VDE-Seminar "Kontaktverhalten
und Schalten", Karlsruhe,
24. bis 26. September 1997, Seiten 149 bis 155.
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Zusätzlich zu
dieser Selbstsynchronisation wird in der Praxis auch häufig eine
Fremdsynchronisation beobachtet, bei denen bereits eine ungleichmäßig verteilte
Phasenlage der Versorgungsspannung beim Ein- bzw. Ausschalten des
Antriebs eine Synchronisation der Schaltvorgänge hervorruft. Eine solche
Fremdsynchronisation kann auch von einer elektronischen Steuerung
verursacht werden, wenn sich in der zeitlichen Abfolge zwischen
Schaltbefehl und Ein- bzw. Ausschalten der Versorgungsspannung des
Antriebs Abhängigkeiten
zur Phasenlage des Netzes ergeben. Im Extremfall tritt nur ein vorbestimmter
Schaltwinkel auf.
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Die
Verbindung von Fremd- und Selbstsynchronisation verschärft das
Problem des ungleichmäßigen Abbrandes
der Schaltkontakte soweit, dass sich für die Kontakte des Schaltgerätes bezogen
auf die Phase der Lastspannung extreme Vorzugsphasenlagen ergeben,
die systematisch zu höherem
Abbrand einer Phase und damit zu einer geringeren Lebensdauer des
Schaltgerätes
führen.
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Zum
Vermeiden einer Fremdsynchronisation ist es aus der
EP 1 198 808 B1 bekannt,
nach dem Einschalten der Versorgungsspannung für die Steuerelektronik des
Schaltgerätes
bei Beendigung einer Anlaufphase für einen in der Steuerelektronik
verwendeten Mikrokontroller und nach dem Überprüfen der Ansteuerart den weiteren
Ablauf des Programmes anzuhalten und erst nach Ablauf einer zufälligen Verzögerungszeit
mit den Programmschritten fortzufahren, die bis zur Abgabe eines
Freigabe- oder Betätigungssignals
für den
Antrieb durchgeführt
werden müssen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren
zum Betreiben eines elektromechanisch betätigten Schaltgerätes anzugeben,
mit dem Fremdsynchronisation weitgehend vermieden ist. Außerdem liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein nach diesem Verfahren betriebenes elektromechanisch
betätigtes
Schaltgerät
anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen
Merkmalen, wird für
den Fall, dass eine den elektromechanischen Antrieb versorgende
Versorgungsspannung eine Wechselspannung oder eine gleichgerichtete
Wechselspannung ist, nach Erhalt eines externen Steuersignals zum
Betätigen
des elektromechanischen Antriebs ein Zeitpunkt abgewartet, in dem
eine vorgegebene Phasenlage der Versorgungsspannung erreicht wird,
und bei dem ab diesem Zeitpunkt eine Verzögerungszeit bis zur Betätigung des
Antriebs abgewartet wird. Auf diese Weise kann für zeitlich aufeinander folgende
Schaltvorgänge
erreicht werden, dass von einer Steuereinrichtung ein Steuersignal
zum Betätigen
des elektromechanischen Antriebs zu Zeitpunkten aktiviert wird, die
gleichmäßig über alle
Phasenlagen verteilt sind.
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Eine
solche gleichmäßige Verteilung
wird erzielt, wenn die Verzögerungszeit
eine zufällige
Größe ist.
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Alternativ
hierzu kann eine solche gleichmäßige Verteilung
auch erzielt werden, wenn die Verzögerungszeit aus einer Folge
von Verzögerungszeiten ausgewählt ist,
die gleichmäßig über ein
vorgegebenes, insbesondere alle möglichen Phasenlagen, d.h. zumindest
eine Schwingungsperiode der Versorgungsspannung umfassendes Zeitintervall,
verteilt sind, wobei für
aufeinander folgende Schaltvorgänge die
Verzögerungszeiten
dieser Folge derart ausgewählt
werden, dass alle Verzögerungszeiten
der Folge mit gleicher Häufigkeit
auftreten.
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In
vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung werden vor dem Betätigen des
Antriebs die Versorgungsspannung insbesondere nach Höhe, Art und
Frequenz überprüft, wobei
insbesondere festgestellt wird, ob die Versorgungsspannung eine
Gleichspannung oder eine Wechselspannung bzw. eine gleichgerichtete
Wechselspannung ist.
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Wenn
das Schaltgerät
gleichzeitig mit dem Steuersignal an die Versorgungsspannung angeschlossen
wird, erfolgt die Überprüfungsversorgungsspannung
erst nach Erhalt des Steuersignals (Automatikbetrieb).
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Wenn
alternativ dazu das Schaltgerät
insbesondere bei einem Busbetrieb dauernd an die Versorgungsspannung
angeschlossen ist, erfolgt vorzugsweise die Überprüfung der Art der Versorgungsspannung
bereits vor Erhalt des Steuersignals.
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Bezüglich des
elektromechanisch betätigten Schaltgerätes wird
die Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit den
Merkmalen des Patentanspruches 7, deren Vorteile sich ebenso wie
die Vorteile der diesem Patentanspruch untergeordneten Unteransprüche aus
den Vorteilen der jeweils zugeordneten Verfahrensansprüche ergeben.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 in
schematischer Prinzipschaltung ein Schaltgerät mit einer zugehörigen Steuereinrichtung zum
Steuern eines elektromechanischen Antriebs in einer ersten Betriebsart
(Busbetrieb),
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2 ein
Schaltgerät
gemäß 1 in
einer zweiten Betriebsart (Automatikbetrieb) sowie
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3 und 4 jeweils
zu den Schaltgeräten
gemäß 1 und 2 gehörende Diagramme, in
denen der zeitliche Ablauf zweier Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
veranschaulicht ist.
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Gemäß 1 ist
eine Steuereinrichtung 2 eines elektromechanisch betätigten Schaltgerätes 4 über einen
Kommunikationsbaustein 6 an einen Datenbus 8 angeschlossen.
Das elektromechanische Schaltgerät 4 kann
direkt von einem mehrphasigen Netz 10 mit einer Versorgungsspannung
U versorgt werden. Die Versorgungsspannung U kann aber auch auf
andere Weise als Wechselspannung mit oder ohne Gleichrichtung oder
als Gleichspannung zur Verfügung
stehen. Ein Verbraucher 11 ist über Schaltkontakte 12 des
Schaltgerätes 4 an
das Netz 10 angeschlossen, die von einem von der Steuereinrichtung 2 gesteuerten
elektromechanischen Antrieb 13 betätigt, d.h. geöffnet oder
geschlossen werden.
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Die
an einem Spannungseingang 14 permanent anliegende Versorgungsspannung
U wird in einer Prüfeinrichtung 15 nach
Art und Höhe überprüft, wobei
festgestellt wird, ob es sich um eine Gleichspannung, eine Wechselspannung
oder eine gleichgerichtete Wechselspannung handelt. Das Ergebnis dieser Überprüfung wird
in einem Mikroprozessor 16 verarbeitet und gespeichert.
Nach vollständiger
Initialisierung des Mikroprozessors 16 sowie Analyse der Art
der Versorgungsspannung U wird für
den Fall, dass es sich um eine Wechselspannung oder eine gleichgerichtete
Wechselspannung handelt, in einem Phasendetektor 18 die
Phasenlage der Versorgungsspannung U erfasst, wenn an einem Signaleingang 19 ein
Steuersignal K zum Betätigen
des Schaltgerätes 4 angelegt
wird. Bei Erreichen einer vorgegebenen Phasenlage wird eine Verzögerungseinheit 20 getriggert,
die eine Verzögerungszeit
T generiert, die bewirkt, dass von der Steuereinrichtung 2 erst
nach Ablauf dieser Verzögerungszeit
T ein Schaltsignal S für
den Antrieb 13 ausgegeben wird.
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In 2 ist
in stark vereinfachter Form ein elektromechanisches Schaltgerät 4 gemäß der Erfindung
veranschaulicht, das in einem so genannten Automatikbetrieb betrieben
wird, in dem sowohl das externe Steuersignal K als auch die Versorgungsspannung
U zeitgleich übermittelt
werden, deren Steuereinrichtung 2 jedoch dem Grundsatz
nach den gleichen Aufbau wie die in 1 veranschaulichte Steuereinrichtung
aufweist.
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Im
Ablaufdiagramm der zur 1 gehörenden 3 ist zu
erkennen, dass die Versorgungsspannung U bereit zu einem Zeitpunkt
t0 am elektromechanischen Schaltgerät anliegt,
in dem noch kein Steuersignal K zum Betätigen des Schaltgerätes übermittelt
wird. Nach Anlegen der Versorgungsspannung U erfolgt in einem ersten
Zeitabschnitt A die Initialisierung des Mikroprozessors. Nach dessen Initialisierung
und Betriebsbereitschaft erfolgt in einem Zeitabschnitt B eine Auswertung
der Versorgungsspannung U nach Art und Frequenz f, bei der es sich
im dargestellten Beispiel um eine gleichgerichtete Wechselspannung
handelt. Zu einem Zeitpunkt t1 erhält die Steuereinrichtung
des Schaltgerätes
ein Steuersignal K zum Betätigen
des Schaltgerätes.
In einem Zeitabschnitt C wird die Versorgungsspannung U nach Höhe und Phase
ausgewertet. Bei nicht ausreichender Höhe der Versorgungsspannung U
wird der Programmablauf gestoppt und die Abgabe eines Schaltsignals
S unterdrückt.
Andernfalls wird anschließend
(Zeitabschnitt D) das Erreichen einer vom Mikroprozessor vorgegebenen
Phasenlage φ2, im Beispiel der Nulldurchgang, abgewartet,
der zu einem Zeitpunkt t2 vorliegt. An diesen
Zeitpunkt t2 wird in der Verzögerungseinheit
beispielsweise ein Zufallsgenerator getriggert, der eine zufällige Verzögerungszeit
T oder einen zufälligen
Verzögerungswinkel Φ generiert.
Nach Ablauf dieser zufälligen
Verzögerungszeit
T bzw. des zufälligen
Verzögerungswinkels Φ wird zu
einem Zeitpunkt t3 (zugehörige Phasenlage φ3) das Schaltsignal S für den Antrieb 13 generiert,
das die Bewegung der Schaltkontakte 12 einleitet, die dann
nach Ablauf einer Schaltzeit Ts zu einem
Schaltzeitpunkt t4 (zugehörige Phasenlage
oder Schaltwinkel φ4) schließen oder öffnen.
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Alternativ
zu einer von einem Zufallsgenerator erzeugten zufälligen Verzögerungszeit
T oder einem zufälligen
Verzögerungswinkel Φ kann auch eine
Verzögerungszeit
T aus einer fest vorgegebenen endlichen Folge von Verzögerungszeiten
Ti oder Verzögerungswinkeln Φi gewählt
werden, die gleichmäßig über ein
vorgegebenen Zeitintervall 0 ≤ Ti < Ts bzw. ein vor gegebenes Phasenintervall 0 ≤ Φi < Φs verteilt sind, um eine gleichverteilte
Ansteuerung des Antriebs 13 zu gewährleisten. Für den in
der Figur dargestellten Fall, in dem die Versorgungsspannung U eine
gleichgerichtete Wechselspannung ist, wird Ts gleich
der halben Periodendauer 1/2f bzw. Φs = Π gewählt, um
sicherzustellen, dass alle möglichen
Phasenlagen der Versorgungsspannung U umfasst sind. Die fest vorgegebene
Folge Ti, Φi kann
beispielsweise eine gleichmäßig aufsteigende
Folge sein, bei der die Verzögerungszeit
Ti oder der Verzögerungswinkel Φi bei jedem Schaltvorgang um einen Wert ΔT bzw. ΔΦ erhöht wird
Ti+l = Ti + ΔT bzw. Φi+l = Φi + ΔΦ. Grundsätzlich sind
aber auch Folgen Ti, Φi möglich, die
in willkürlicher
Reihenfolge auf unterschiedliche Verzögerungszeiten Ti oder
Verzögerungswinkel Φi, beispielsweise 0°, 1°, 2° ..., 179°, mit gleichmäßigem Abstand,
im Beispiel 1°,
im Intervall 0 ≤ Φl < Π, verteilt sind.
Umfasst die Folge Ti, Φi n
Elemente, im Beispiel 180, so werden in einem Zyklus alle Elemente
dieser Folge Ti, Φi nacheinander
ausgewählt,
d. h. in einem solchen Zyklus wird jedes Element nur einmal ausgewählt bis
alle Elemente einmal ausgewählt
worden sind. Dann beginnt derselbe Zyklus von neuem. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass jedes Element, d. h. jede Verzögerungszeit
Ti oder jeder Verzögerungswinkel Φi der Folge bei einer großen Anzahl N >> n von Schaltvorgängen mit gleicher Häufigkeit
auftreten.
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Wird
bei einer Überprüfung der
Versorgungsspannung U festgestellt, dass es sich um eine Gleichspannung
handelt, entfallen die in den Zeitabständen C,D durchgeführte Phasendetektion
sowie die Verzögerung
um die Verzögerungszeit
T zwischen dem Steuersignal K und dem Schaltsignal S.
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Im
Ablaufdiagramm gemäß 4 (Automatikbetrieb)
wird das Steuersignal K zeitgleich mit der Versorgungsspannung U
am Schaltgerät
angeregt. Mit anderen Worten: Es gibt für beide Zwecke nur ein- und
dasselbe Signal. In diesem Fall erfolgen mit dem Anlegen der Versorgungsspannung
nach der Initialisierung des Mikroprozessors in einem Zeitabschnitt
A zeitlich aufeinander folgend die Auswertung der Versorgungsspannung
U nach Art, Frequenz, Höhe
und Phase. Nach Ablauf dieser Auswertung werden dann dieselben Verfahrensschritte
durchgeführt,
wie sie anhand von 3 erläutert sind, d.h. in einem Zeitabschnitt
D wird eine vorgegebene Phasenlage φ2 der
Versorgungsspannung U abgewartet, die zum Zeitpunkt t2 erreicht
wird.
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Im
Beispiel der Figur erfolgt die externe Kommandogabe (Steuersignal
K) zum Zeitpunkt t1 zeitgleich mit dem Nulldurchgang
der Versorgungsspannung U. Dieser Zeitpunkt t1 ist
in der Praxis jedoch (im Idealfall) hinsichtlich der Phasenlage φ1 gleichmäßig auf
alle Phasenwinkel verteilt.
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Durch
die anhand der 3 und 4 erläuterten
Verfahren wird sichergestellt, dass die Schaltsignale S für den elektromechanischen
Antrieb 13 möglichst
gleichmäßig über die
Phasenwinkel verteilt sind, und eine Fremdsynchronisation weitgehend vermieden
ist.