DE102009043415B3

DE102009043415B3 - Freilaufkreis

Info

Publication number: DE102009043415B3
Application number: DE102009043415A
Authority: DE
Inventors: Christian Oppermann; Bernhard Streich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: BR112012006975A2; US8830649B2; KR101691900B1; KR20120091134A; WO2011038969A3; IN2012DN01648A; CN103109431B; EP2483984B1; BR112012006975B1; US20120188675A1; EP2483984A2; WO2011038969A2; CN103109431A

Abstract

Es wird ein Freilaufkreis zum schnellen Abbau einer Abschaltüberspannung einer induktiven Last (1) bei deren Abschalten vorgeschlagen. Der Freilaufkreis enthält eine Schaltschwellenkomponente (11), durch die der Freilaufkreis gegenüber einem Freilaufkreis ohne diese Schaltschwellenkomponente (11) schneller aktiv und damit die Abschaltüberspannung schneller abgebaut wird. Unterschreitet eine von einer Steuerspannungsquelle (2) zur Verfügung gestellte Steuerspannung eine durch die Schaltschwellenkomponente (11) eingestellte Schwellenspannung, wird bereits dann und nicht erst, wenn die Steuerspannung bis nahe Null abgebaut ist, ein kapazitiver Energiespeicher entladen, der dann, wenn er nahezu entladen ist, den Freilaufkreis für den Abbau der Abschaltüberspannung aktiviert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Freilaufkreis gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Induktive Lasten, wie zum Beispiel eine Spule eines Netzschützschalters, die an einem Niederspannungsschaltgerät mit DC-Ansteuerung oder Ansteuerung über einen Gleichrichter (AC/DC) betrieben werden, fallen nach Wegnahme einer Steuerspeisespannung trotz eines im Niederspannungsschaltgerät vorgesehenen Freilaufkreises zum Abbauen einer in einem solchen Fall durch die induktive Last verursachten Abschaltüberspannung nur sehr langsam ab. Im ungünstigsten Fall kommt es zu einem sogenannten 2-Stufen-Abfall, das heißt, zum Beispiel in eine Hauptstrombahn geschaltete Kontakte, die mit der induktiven Last geschaltet werden, liegen für eine kurze Zeit ohne Federkraft aufeinander. Die Kontakte können dann leicht verschweißen oder haben insgesamt nur eine geringe elektrische Lebensdauer.
Auch wenn die induktive Last elektronisch angesteuert wird, muss der Freilaufkreis gesteuert oder selbstgesteuert ausgeführt werden, um einen möglichst schnellen Abbau der in der induktiven Last gespeicherten magnetischen Energie beim Abschalten der induktiven Last sicherzustellen.
Es ist allgemein bekannt, dieses Problem mittels einer Diode oder einer Zenerdiode innerhalb des Freilaufkreises zu lösen.
Ein Nachteil bei solchen Lösungen sind die hohen Verlustleistungen, die dabei permanent auftreten.
Eine Variante bei solchen Lösungen ist, den Freilaufkreis gesteuert ein- und auszuschalten. Im normalen Betrieb wird der Freilaufkreis ausgeschaltet, so dass die Verlustleistungen nicht mehr permanent auftreten. Hierzu wertet eine Spulenansteuerelektronik Schaltschwellen aus, und je nach einem über- oder unterschreiten der Schaltschwelle wird zum Beispiel über einen Optokoppler der Freilaufkreis ein- oder ausgeschaltet.
Eine entsprechende Spulenansteuerelektronik ist beispielsweise aus dem Dokument DE 195 19 757 C2 bekannt.
Nachteilig hierbei ist, dass bei einem Abschalten oder Ausfallen einer für die induktive Last vorgesehenen Steuerspeisespannung diese jeweils stets erst fast vollständig abgebaut sein muss, bis ein vorhandener kapazitiver Energiespeicher zum Entladen gebracht wird, um dann, im wiederum beinahe entladenen Zustand, das Aktivieren des Freilaufkreises zu bewirken.
Außerdem beschreibt die DE 28 28 678 C2 ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Verbrauchers mit einem beweglichen Anker, insbesondere eines Einspritzventils in Brennkraftmaschinen, bei dem diesem Verbraucher zu Beginn eines Betätigungssignals während der Anzugsphase des Ankers ein hoher und spätestens gegen Ende des Betätigungssignals während der Haltephase des Ankers ein reduzierter Strom zugeführt wird und der Freilaufstrom des elektromagnetischen Verbrauchers gesteuert wird. Es ist vorgesehen, dass der Strom im elektromagnetischen Verbraucher innerhalb der Anzugsphase des Ankers mehrstufig steuerbar ist, derart, dass ab einer bestimmten Stromstärke, bei der der Anker vorzugsweise zwar bewegt wird, jedoch noch nicht seine Endlage erreicht hat, der Stromanstieg pro Zeiteinheit wenigstens reduziert wird.
Die DE 196 05 973 A1 beschreibt eine elektronische Schaltmagnetansteuerung zum Ausschalten eines Schützes, wobei das Schütz eine Spule und einen Sensor hat und mit dem Sensor die Position des Ankers bestimmbar ist, wobei in Abhängigkeit von der Position des Ankers voneinander verschiedene Freilaufkreise parallel zur Spule schaltbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von einer Spulenansteuerelektronik der eingangs genannten Art, diese in der Weise technisch zu verbessern, dass im Bedarfsfall eine Aktivierung des Freilaufkreises schneller erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Freilaufkreis gelöst, der das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 aufweist.
Danach ist eine ohmsche Widerstandskomponente im Steuerkreis des Freilaufkreises als eine Reihenschaltung bestehend aus einem reinen ohmschen Widerstand und einer Schaltschwellenkomponente realisiert. Mit anderen Worten: Es ist ein elektronisches Bauelement zur Erzeugung einer Schaltschwelle in den Ansteuerkreis des Freilaufkreises eingebracht. Die Schaltschwelle ist dabei durch Wahl oder Art der Realisierung des verwendeten elektronischen Bauteils einstellbar.
Weitere Vorteile sind: Es gibt einen schnellen Ausverzug; es gibt keinen Zweistufenabfall; ein Verschweißen von Kontakten ist verhindert; die Kontakte haben damit eine hohe elektrische Lebensdauer; es können Bauteile eingespart werden und es ist keine elektronische Spulenansteuerung notwendig.
Durch die Schaltschwellenkomponente wird erreicht, dass die Steuerspeisespannung bei einem Abschalten oder Ausfall der Steuerspeisespannung nicht erst fast vollständig abgebaut sein muss, bis ein kapazitiver Energiespeicher zum Entladen gebracht wird, infolge dessen Entladung wiederum dann ein betreffender Freilaufkreis aktiv geschaltet wird. Je nach Schaltschwelleneinstellung wird bereits zu einem früheren Restwert der Steuerspeisespannung, nämlich bei Unterschreiten des eingestellten Schaltschwellenwerts, der kapazitive Energiespeicher zum Entladen gebracht mit der Folge, dass dann entsprechend früher der Freilaufkreis aktiv geschaltet wird. Der Freilaufkreis wird somit schneller aktiviert und die durch das Abschalten oder Ausfallen der Steuerspeisespannung durch die induktive Last verursachte Abschaltüberspannung schneller abgebaut.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Danach kann die Schaltschwellenkomponente beispielsweise durch eine einfache Zenerdiode mit vorgegebener Zenerspannung, durch einen Thyristor mit einer Zenerdioden-Ansteuerung oder eine Varistorschaltung realisiert sein. Alle diese Realisierungsmöglichkeiten ermöglichen durch einfache Wahl der Schaltschwelle eine individuelle Anpassung an vorliegende Gegebenheiten.
Der vorliegende Freilaufkreis kann außerdem mit verbesserten Eigenschaften ausgestattet werden. Wird dem kapazitiven Energiespeicher ein zweiter Schalttransistor parallel geschaltet mit der Funktionsweise, dass bei Auftreten einer Abschaltüberspannung durch die induktive Last der zweite Schalttransistor durchgesteuert und dadurch ein bereits vorhandener erster Schalttransistor sicher gesperrt wird, wird erreicht, dass die von der abschaltenden induktiven Last verursachte Abschaltüberspannung sicher an einen spannungsabhängigen Wi derstand angelegt und dadurch sicher der Abbau der Abschaltüberspannung bewerkstelligt wird.
Die Schaltungsrealisierung des Ansteuerkreises des zweiten Schalttransistors in der Weise, dass dieser Ansteuerkreis eine Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand, einer zweiten Zenerdiode und einer dritten Diode enthält, wobei die zweite Zenerdiode und die dritte Diode entgegengesetzt gepolt geschaltet sind, gewährleistet das sichere Sperren des ersten Schalttransistors durch den zweiten Schalttransistors.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur näher erläutert.
In der Figur ist ein zu einer induktiven Last 1, nachfolgend auch kurz mit Spule bezeichnet, parallel geschalteter Freilaufkreis gezeigt. Diese Parallelschaltung liegt an einer Steuerspeisespannungsquelle 2 mit einem Pluspol 3 und einem Minuspol 4. Der Freilaufkreis umfasst eine unmittelbar zur Spule 1 parallel liegende Reihenschaltung aus einer ersten Diode 5 und einem ersten Schalttransistor 6, dem ein spannungsabhängiger Widerstand 7 parallel geschaltet ist. Dabei liegt der Drain-Anschluss D des Schalttransistors 6 am Minuspol 4. Der Source-Anschluss S des Schalttransistors 6 ist mit der Anode der ersten Diode 5 verbunden, die wiederum mit ihrem Kathoden-Anschluss an den Pluspol 3 angeschaltet ist. Der Pluspol 3 ist über eine zweite Diode 8 und eine dazu in Reihe liegende Widerstandskomponente 9 mit dem Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6 verbunden.
Die Widerstandskomponente 9 ist als eine Reihenschaltung bestehend aus einem ersten ohmschen Widerstand 10 und einer Schaltschwellenkomponente 11 realisiert.
Eine aus einem zweiten ohmschen Widerstand 12 und einem Kondensator 13 bestehende Parallelschaltung 14 liegt zwischen dem Source-Anschluss S und dem Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6. Der Parallelschaltung 14 liegt eine ers te Zenerdiode 15 und ein zweiter Schalttransistor 16 parallel, der mit seinem Emitter am Source-Anschluss S und mit seinem Kollektor am Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6 anliegt.
Die Basis des zweiten Schalttransistors 16 ist über eine Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand 17, einer zweiten Zenerdiode 18 und einer dritten Diode 19 an den Minuspol 4 geschaltet, wobei an diesem der Anoden-Anschluss der dritten Diode 19 anliegt und die beiden Kathoden-Anschlüsse der dritten Diode 19 und der zweiten Zenerdiode 18 miteinander verbunden sind.
Die Spule 1 ist z. B. eine Schützspule, zu der eine elektronische Ansteuerung 20, wie dargestellt, in Reihe geschaltet sein kann. Wie in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet, taktet die elektronische Ansteuerung 20 den Minuspol 4 gegebenenfalls.
Die Steuerspeisspannungsquelle 2 ist eine Gleichspannungsquelle, mit der die Spule 1 versorgt wird. Zugleich wird über die zweite Diode 8 und der ohmschen Widerstandskomponente 9 die in Reihe liegende Parallelschaltung aus der ersten Zenerdiode 15, dem zweiten ohmschen Widerstand 12 und dem Kondensator 13 mit einer Steuerspannung beaufschlagt.
Durch die beaufschlagte Steuerspannung wird der erste Schalttransistor 6 in den leitenden Zustand geschaltet, der solange beibehalten wird, wie die Steuerspeisespannungsquelle 2 zugeschaltet ist. Bei Abschalten oder Ausfall der Steuerspeisespannungsquelle 2 baut sich die Ansteuerspannung des ersten Schalttransistors 6 nach der durch die Parallelschaltung 14 vorgegebenen Zeitkonstante nur langsam ab, bis sie einen Wert erreicht, bei dem der erste Schalttransistor 6 sperrt. Zur Vermeidung des labilen Schaltzustandes des ersten Schalttransistors 6 in seinem linearen Arbeitsbereich wird durch den zweiten Schalttransistor 16 ein sicheres Sperren des als Freilauftransistor arbeitenden ersten Schalttransistors 6 gewährleistet.
Die Diodenbeschaltung des zweiten Schalttransistors 16, bestehend aus dem dritten ohmschen Widerstand 17, der zweiten Zenerdiode 18 und der dritten Diode 19, dient dazu, beim Auftreten von Überspannungen an dem ersten Schalttransistor 6, welche entstehen, wenn der erste Schalttransistor 6 im linearen Bereich arbeitet, den zweiten Schalttransistor 16 sicher durchzusteuern und damit die Gate-Source-Strecke des ersten Schalttransistors 6 sicher kurzzuschließen und diesen damit sicher zu sperren.
Der spannungsabhängige Widerstand 7 dient zum Schutz der Drain-Source-Strecke des ersten Schalttransistors 6. Er baut die bei Abschaltung der Steuerspeisespannungsquelle 2 entstehenden Abschaltüberspannungen an der Spule 1 ab und schützt den ersten Schalttransistor 6 vor Zerstörung.
Durch Varianten des zweiten ohmschen Widerstands 12 und des Kondensators 13 kann die in der Spule 1 gespeicherte Restenergie mehr oder weniger schnell abgebaut werden bzw. bei Anwendung für eine Schützspule die Ausschaltverzugszeit des Schützes beliebig eingestellt werden. Dies gilt nur bis zur maximalen Ausschaltverzugsdauer, in der das Schütz ohne Beschaltung abfallen würde.
Durch die Dimensionierung der ersten Diode 5, die auch als Freilaufdiode bezeichnet wird, des ersten Schalttransistors 6 und des spannungsabhängigen Widerstands 7 ist die Beschaltung an verschiedene elektromagnetische Antriebe anpassbar.
Der Freilaufkreis kann auch für eine elektronisch getaktete Spulenansteuerung 20 verwendet werden.
Gegenüber bisher bekannten Schaltungsanordnungen ist der hier beschriebene Freilaufkreis wesentlich einfacher und mit weniger Bauelementen aufgebaut.
Anstatt des beschriebenen ersten Schalttransistors 6 und des zweiten Schalttransistors 16 können auch anderer Schalttransistortypen verwendet werden.
Der Vorteil dieses Freilaufkreises besteht in seiner selbstgesteuerten Wirkung. Sie rührt daher, dass bei Auftreten von Abschaltüberspannungen an der Spule 1 der Freilauftransistor, d. h. der erste Schalttransistor 6 sicher gesperrt wird und damit der Stromfluss auf den spannungsabhängigen Widerstand 7 kommutiert wird.
Die Schaltschwellenkomponente 11, die in der Figur durch eine in Sperrrichtung gepolte Zenerdiode 11 mit vorgegebener Zenerspannung realisiert ist, hat für die Parallelschaltung 14 eine Schaltschwellenfunktion. Solange die von der Steuerspannungsquelle 2 zur Verfügung gestellte Steuerspannung größer als die Zenerspannung der Zenerdiode 11 ist, wird der durch die Parallelschaltung 14 gebildete kapazitive Energiespeicher geladen und der erste Schalttransistor 6 in den leitenden Zustand geschaltet.
Wird die von der Steuerspannungsquelle 2 zur Verfügung gestellte Steuerspannung abgeschaltet oder bricht sie bis wenigstens unter die Zenerspannung der Zenerdiode 11 ein, sperrt die Zenerdiode 11 ab dem Zeitpunkt dieses Unterschreitens und der durch die Parallelschaltung 14 gebildete kapazitive Energiespeicher wird von diesem Zeitpunkt an nicht nur nicht mehr geladen, sondern wird ab diesem Zeitpunkt entladen. Der kapazitive Energiespeicher wird damit nicht erst entladen, wenn die Steuerspannung bis nahezu auf Null abgesunken ist, sondern schon dann, wenn die eingestellte Schaltschwelle unterschritten ist. Damit wird der erste Schalttransistor 6 schneller in den Sperrzustand geschaltet und damit wiederum der Freilaufkreis zum Abbau der durch die Spule 1 verursachten Abschaltüberspannung schneller aktiviert.
Die die Schaltschwellenkomponente 11 bildende Zenerdiode 11 kann, entsprechend be- und geschaltet, auch in Form eines Thyristors mit einer Zenerdioden-Ansteuerung oder in Form einer Varistorschaltung realisiert sein.

Claims

Freilaufkreis für eine induktive Last zum Abbauen von durch die induktive Last verursachte Abschaltüberspannungen beim Abschalten der induktiven Last, mit folgenden Merkmalen: a) der Freilaufkreis umfasst eine parallel zur Spule (1) liegende Reihenschaltung aus einer ersten Diode (5) und einem spannungsabhängigen Widerstand (7), b) dem spannungsabhängigen Widerstand (7) ist ein erster Schalttransistor (6) parallel geschaltet, c) zur Ansteuerung des ersten Schalttransistors (6) liegt eine Parallelschaltung (14) aus einem ersten ohmschen Widerstand (12) und einem Kondensator (13) an dessen Steuereingang (G), und d) die Parallelschaltung (14) liegt gleichzeitig über eine Reihenschaltung bestehend aus einer zweiten Diode (8) und einer ohmschen Widerstandskomponente (9) an einer Steuerspeisespannungsquelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die ohmsche Widerstandskomponente (9) als Reihenschaltung bestehend aus einem ersten ohmschen Widerstand (10) und einer Schaltschwellenkomponente (11) realisiert ist.
Freilaufkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltschwellenkomponente (11) durch eine Zenerdiode, einen Thyristor mit einer Zenerdioden-Ansteuerung oder eine Varistorschaltung realisiert ist.
Freilaufkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelschaltung (14) ein zweiter Schalttransistor (16) parallel geschaltet ist, und dass bei Auftreten einer Abschaltüberspannung an der induktiven Last (1) der zweite Schalttransistor (16) durchgesteuert und dadurch der erste Schalttransistor (6) gesperrt ist.
Freilaufkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansteuerkreis des zweiten Schalttransistors (16) eine Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand (17), einer zweiten Zenerdiode (18) und einer dritten Diode (19) enthält, wobei die zweite Zenerdiode (18) und die dritte Diode (19) entgegengesetzt gepolt geschaltet sind.