DE102015117593A1

DE102015117593A1 - Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts

Info

Publication number: DE102015117593A1
Application number: DE102015117593.2A
Authority: DE
Inventors: Ingo Schaar
Original assignee: Eaton Electrical IP GmbH and Co KG
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2017-04-20
Also published as: PL3363036T3; CN108140510A; WO2017063933A1; EP3363036B1; EP3363036A1; CN108140510B; US20180301305A1; US10916397B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts aufweisend ein Netzteil (10) zum Erzeugen einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung für den elektromagnetischen Antrieb (12) des Schaltgeräts abhängig einem Steuersignal (14) und eine Steuereinheit (16) zum Erzeugen des Steuersignals (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts, insbesondere ein Schütz, welche zur Energieversorgung des Antriebs vorgesehen ist, sowie ein Schaltgerät mit einer derartigen Steuervorrichtung.
Es ist bekannt, dass elektromagnetische Antriebe von Schaltgeräten wie Schützen mit unterschiedlichen Spannungen abhängig vom Antriebsmodus versorgt werden: im Anzugbetrieb wird die Spule eines elektromagnetischen Antriebs mit einer Anzugspannung versorgt, welche eine entsprechende Anzugenergie zum Aufbringen der Anzugkräfte des Schaltgeräts erzeugt; sobald die Kontakte des Schaltgerätes geschlossen sind, kann die Anzugspannung auf eine Haltespannung abgesenkt werden, um den Antrieb in einen Haltebetrieb umzuschalten. Die durch die Haltespannung erzeugte Halteenergie ist geringer als die Anzugenergie, da für das sichere „geschlossen Halten“ weniger Energie benötigt wird.
Es ist außerdem bekannt, die Anzug- und -Haltespannung durch eine Puls-Weiten-Modulation (PWM) zu erzeugen, siehe beispielsweise die aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 16 995 A1 bekannte Schütz-Ansteuerung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine verbesserte Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts, insbesondere ein Schütz, und ein verbessertes Schaltgerät vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht darin, eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts mit einem Netzteil auszustatten, das eine Anzug- und eine Halte-Gleichspannung abhängig von einem von einer Steuereinheit erzeugten Steuersignal generiert. Das Netzteil kann zudem zur Spannungsversorgung der Steuereinheit ausgebildet sein.
Der Einsatz eines Netzteils im Unterschied zu einer PWM-basierten Erzeugung der Anzug- und Haltespannung besitzt den Vorteil, dass weniger Probleme mit EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) eines Schaltgeräts auftreten, die vor allem durch steile Flanken bei PWM-basierter Anzug- und Haltespannungserzeugung verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist bei der Erfindung auch darin zu sehen, dass durch den Einsatz eines einzelnen Netzteils, welches eine Anzug- und Halte-Gleichspannung für den Schaltgerät-Antrieb erzeugt, durch den geringeren Platzbedarf ein relativ kompakter Aufbau der Steuerelektronik eines Schaltgeräts erreicht werden kann, wodurch wiederum das EMV-Verhalten durch kleinere Luft- und Kriechstrecken zwischen einzelnen Bauelementen verbessert und eine Verringerung der Bauteileanzahl erzielt werden kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun eine Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts aufweisend ein Netzteil zum Erzeugen einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung für den elektromagnetischen Antrieb des Schaltgeräts abhängig einem Steuersignal und eine Steuereinheit zum Erzeugen des Steuersignals. Eine derartige Steuervorrichtung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Steuerelektronik eines Schaltgeräts, insbesondere eines Schütz, da die Energie für den Anzugbetrieb und die Leistung für den Haltebetrieb des Schaltgeräts von einem Netzteil generiert werden.
Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, das Steuersignal derart zu erzeugen, dass das Netzteil bei Erfüllen von mindestens einer Anzugbedingung eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb und bei Erfüllen von mindestens einer Haltebedingung eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb erzeugt. Die mindestens eine Anzugbedingung kann das Erreichen einer Mindest-Eingangsspannung und/oder Mindest-Ausgangsspannung des Netzteils umfassen, und die mindestens eine Haltebedingung den Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Erfüllen der mindestens einen Anzugbedingung.
Die Steuereinheit kann zudem ausgebildet sein, ein zweites Steuersignal zum Ansteuern eines Schalters zum Zuschalten oder Trennen des Antriebs von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung abhängig von einer aus einer Eingangsspannung der Steuervorrichtung abgeleiteten Messspannung zu erzeugen.
Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass überhaupt erst bei Erreichen einer bestimmten Eingangsspannung der Antrieb durch Erzeugen einer Anzug-Gleichspannung in Betrieb genommen werden kann und das Netzteil nicht schon bei geringen Eingangsspannungen durch den Antrieb belastet wird.
Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, das zweite Steuersignal zum Ansteuern des Schalters zum Trennen des Antriebs von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Messspannung ein Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung signalisiert. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Netzteil sicher vom Antrieb abgekoppelt und von diesem nicht mehr belastet wird, wenn die Eingangsspannung unter die vorgegebene Mindestspannung absinkt.
Das Netzteil kann ein Schaltnetzteil sein, das für einen Eingangsspannungsbereich ausgelegt ist, der an den Betriebsspannungsbereich des Schaltgeräts angepasst ist, wobei der Eingangsspannungsbereich insbesondere etwa 48 Volt bis etwa 240 Volt, etwa 110 Volt bis etwa 240 Volt oder etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt beträgt. Durch die Verwendung eines Netzteils mit einem entsprechend großen Eingangsspannungsbereich kann eine flexibel einsetzbare Steuerelektronik für Schaltgerät geschaffen werden. Insbesondere bei Einsatz eines Netzteils mit einem Eingangsspannungsbereich von etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt kann ein Multispannungs-Schaltgerät geschaffen werden, dass für den Betrieb mit verschiedensten Netzspannungen geeignet ist. Dies ermöglicht letztendlich eine Minimierung der Varianten von Schaltgeräten.
Weiterhin kann eine Schnellentregungseinheit zum Entregen einer Spule des Antriebs vorgesehen sein, die automatisch beim Trennen der Spule von der vom Netzteil erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung aktiviert wird. Insbesondere kann die Schnellentregung eine Diode und eine Zenerdiode aufweisen, die als Reihenschaltung parallel zur Spule des Antriebs geschaltet sind. Die Schnellentregung kann somit mit geringem schaltungstechnischem Aufwand implementiert werden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit einem Schaltantrieb, der eine Spule aufweist, und einer Steuervorrichtung nach der Erfindung und wie hierin beschrieben zum Steuern der Stromversorgung der Spule. Das Schaltgerät kann auch einen Gleichrichter zum Erzeugen einer gleichgerichteten Ausgangsspannung aus einer Wechselspannung in einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich aufweisen, wobei die Ausgangsspannung dem Netzteil der Steuervorrichtung zugeführt ist.
Die Steuereinheit der Steuervorrichtung kann einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller aufweisen, der durch ein in einem Speicher abgelegtes Programm konfiguriert ist, ein Steuersignal zum Steuern der Erzeugung einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung durch das Netzteil derart zu erzeugen, dass das Netzteil bei Erfüllen von Anzugbedingungen eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb und bei Erfüllen von Haltebedingungen eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb erzeugt.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Zeitdiagramm eines beispielhaften Verlaufs der vom Netzteil eines Ausführungsbeispiels einer Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Ausgangsspannung zum Versorgen des Antriebs.
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung bzw. Steuerelektronik gemäß der Erfindung, die prinzipiell für einen weiten Eingangsspannungsbereich ausgelegt und relativ kompakt auf einer Platine implementiert werden kann. Die Steuervorrichtung ist beispielsweise zur Integration in ein Schaltgerät wie ein Schütz geeignet. Sie ermöglicht es, die Energie für den Anzug- und Haltebetrieb eines elektromagnetischen Schaltgerät-Antriebs aus einem Netzteil zu generieren, insbesondere ohne Einsatz von PWM (am Antrieb), wodurch das EMV-Verhalten verbessert werden kann.
Die Steuervorrichtung umfasst ein Netzteil 10, eine Steuereinheit 16, beispielsweise implementiert durch einen Mikrokontroller mit Speicher, eine Schnellentregungseinheit 22 und einen steuerbaren Schalter 18. Der in 1 dargestellte Gleichrichter 24 gehört streng genommen nicht zur Steuervorrichtung, kann aber dennoch auf einer Platine der Steuervorrichtung vorgesehen sein. Alle Spannungen und Signale der Steuervorrichtung sind auf ein Bezugspotential (z.B. Masse) bezogen.
Der Gleichrichter 24 wird über eine an den Anschlüssen A1 und A2 anliegende Spannung gespeist, beispielsweise eine Wechselspannung (innerhalb oder auch außerhalb der üblichen 50Hz bzw. 60Hz) oder auch eine Gleichspannung. Die vom Gleichrichter 24 aus der Spannung erzeugte Ausgangsspannung speist das Netzteil 10, welches daraus eine Ausgangsspannung zum Versorgen der Steuereinheit 16 und einer Spule 12 eines elektromagnetischen Antriebs eines (nicht dargestellten) Schaltgeräts generiert. Parallel zur Spule 12 ist die Schnellentregungseinheit 22 geschaltet. Zwischen die Spule 12 und die Masse ist der steuerbare Schalter 18 geschaltet, beispielsweise ein Schalttransistor mit entsprechender Stromtragfähigkeit und Eignung für die auftretenden Spannungen.
Die Funktion der Steuervorrichtung wird nun anhand des in 2 gezeigten Zeitdiagramms eines beispielhaften Verlaufs der vom Netzteil 10 erzeugten Ausgangsspannung zum Versorgen der Spule 12 des Antriebs erläutert:
Zum Starten der Steuervorrichtung wird an die Anschlüsse A1 und A2 eine Spannung im spezifizierten Eingangsspannungsbereich angelegt (Zeitpunkt t = t0 im Zeitdiagramm). Die vom Gleichrichter 24 aus der angelegten Spannung erzeugte Ausgangsspannung wird eingangsseitig dem Netzteil 10 zugeführt, das daraus eine Ausgangs-Gleichspannung erzeugt, die mit der Zeit ansteigt und deren beispielhafter Verlauf im Zeitdiagramm von 2 gezeigt ist.
Sobald die Ausgangsspannung des Netzteils 10 zum Versorgen der Steuereinheit 16 ausreicht (Zeitpunkt t1 im Zeitdiagramm), wird die Steuerung gestartet, insbesondere indem ein die Steuereinheit 16 implementierender Mikrokontroller mit der Ausführung einer in seinem Speicher abgelegten Firmware startet.
Wenn die Steuereinheit 16 arbeitet, misst sie eine von der vom Gleichrichter 24 erzeugten Spannung abgeleitete Messspannung 20. Beispielsweise kann die Messspannung 20 über einen Spannungsteiler aus der vom Gleichrichter 24 erzeugten Spannung abgeleitet sein, die je nach Eingangsspannung sehr hohe Werte aufweisen kann, die ggf. für eine direkte Verarbeitung durch die Steuereinheit 16 zu hoch sind.
Abhängig von der Messspannung 20 wird von der Steuereinheit 16 das Zuschalten oder Trennen der Spule 12 des Antriebs von der Spannungsversorgung des Netzteils 10 gesteuert. Überschreitet die Messspannung 20 eine vorgegebene Mindestspannung, kann die Steuereinheit über ein entsprechendes zweites Steuersignal 15 die Spule 12 über den steuerbaren Schalter 18 in den Versorgungspfad des Netzteils 10 schalten, indem die Verbindung der Spule 12 zur Masse geschlossen wird. Umgekehrt schaltet die Steuereinheit 16 über das zweite Steuersignal 15 die Versorgung der Spule 12 ab, indem sie den Schalter 18 öffnet, wenn die vorgegebene Mindestspannung unterschritten wird. Die vorgegebene Mindestspannung ist hierbei abhängig von Parametern des Antriebs festgelegt.
Die Steuereinheit 16 überwacht nun weiter die vom Netzteil 10 erzeugte und weiter ansteigende Ausgangs-Gleichspannung. Sobald die Ausgangs-Gleichspannung einen Mindestwert überschreitet, der für einen Anzugbetrieb des Schaltgeräts ausreicht und vorgegeben ist, ist eine Anzugbedingung erfüllt (Zeitpunkt t2 im Zeitdiagramm), und die Steuereinheit 16 erzeugt ein Steuersignal 14 derart, dass das Netzteil 10 durch das Steuersignal 14 in einen Modus geschaltet wird, in dem es nun die erreichte Ausgangs-Gleichspannung als Anzug-Gleichspannung für den Schaltantrieb des Schaltgeräts erzeugt und ausgibt. Ferner erzeugt die Steuereinheit 16 nun das zweite Steuersignal 15 derart, dass der steuerbare Schalter 18 geschlossen wird, wodurch die Spule 12 mit der Masse verbunden und damit von der Anzug-Gleichspannung des Netzteils 10 versorgt werden kann, so dass ein entsprechender Anzugstrom durch die Spule 12 fließt und der Antrieb des Schaltgeräts zum Schließen der Schaltkontakte bewegt wird.
Etwa zum Zeitpunkt t2 wird in der Steuereinheit 16 ein Timer gestartet, der eine vorgegebene Zeit nach dem Erzeugen des Steuersignals 14 für das Erzeugen und Ausgeben der Anzug-Gleichspannung läuft. Die vorgegebene Zeit ist hierbei abhängig vom Schaltantrieb und der Dauer derart bemessen, dass er die Zeit bis zum Schließen der Schaltkontakte des Schaltgeräts umfasst (entspricht typischerweise etwa der Anzugzeit des Schaltantriebs).
Wenn der Timer und damit die durch ihn vorgegebene Zeit abläuft, ist eine Haltebedingung erfüllt, und die Steuereinheit 16 erzeugt das Steuersignal 14 derart, dass das Netzteil 10 durch das Steuersignal 14 in einen Modus geschaltet wird, in dem es nun als Ausgangs-Gleichspannung eine Halte-Gleichspannung für den Schaltantrieb des Schaltgeräts erzeugt und ausgibt, die niedriger als die Anzug-Gleichspannung ist (Zeitpunkt t3 im Zeitdiagramm). Praktisch senkt hierbei das Netzteil 10 seine Ausgangs-Gleichspannung auf die Halte-Gleichspannung ab und gibt nun die Halte-Gleichspannung solange aus, solange eine Spannung im spezifizierten Eingangsspannungsbereich an den Anschlüssen A1 und A2 anliegt und die Schaltkontakte des Schaltgeräts geschlossen bleiben sollen.
Wird die Spannung an den Anschlüssen A1 und A2 abgeschaltet oder sinkt sie unter die vorgegebene Mindestspannung, was von der Steuereinheit 16 über die Messspannung 20 detektiert werden kann, schaltet die Steuereinheit 16 den Schaltantrieb ab, indem sie das zweite Steuersignal 15 so erzeugt und ausgibt, dass der steuerbare Schalter 18 geöffnet wird. Nach dem Öffnen des Schalters 18 wird automatisch die Schnellentregung 22 aktiv, über welche die in der Spule 12 gespeicherte Energie entladen wird.
Die wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen in einer Vereinfachung der Schaltung der Steuervorrichtung und einer damit in der Regel einhergehenden Robustheit, einer möglichen Minimierung der Schaltungsvarianten, einer Verbesserung des EMV-Verhaltens sowie der Möglichkeit der Implementierung eines Multispannungs-Schaltgeräts, das für einen großen Eingangsspannungsbereich geeignet ist. Weitere Vorteile sind darin zu sehen, dass die Spulentypen des elektromagnetischen Antriebs eines Schaltgeräts reduziert werden können, da nicht mehr für jeden Eingangsspannungsbereich eine eigene Spule verwendet muss, sondern eine Spule für mehrere Eingangsspannungsvarianten verwendet werden kann, die Anzahl der Bauteile reduziert werden kann, und ein kompakterer Aufbau ermöglicht wird, der zu kleineren Luft- und Kriechstrecken und damit einem verbesserten EMV-Verhalten führt sowie einen geringeren Platzbedarf aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19516995 A1 [0003]

Claims

Steuervorrichtung für einen elektromagnetischen Antrieb eines Schaltgeräts aufweisend • ein Netzteil (10) zum Erzeugen einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung für den elektromagnetischen Antrieb (12) des Schaltgeräts abhängig einem Steuersignal (14) und • eine Steuereinheit (16) zum Erzeugen des Steuersignals (14).
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, das Steuersignal (14) derart zu erzeugen, dass das Netzteil (10) bei Erfüllen von mindestens einer Anzugbedingung eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb (12) und bei Erfüllen von mindestens einer Haltebedingung eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb (12) erzeugt.
Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anzugbedingung das Erreichen einer Mindest-Eingangsspannung und/oder einer Mindest-Ausgangs-Gleichspannung des Netzteils umfasst, und die mindestens eine Haltebedingung den Ablauf einer vorgegebenen Zeit nach Erfüllen der mindestens einen Anzugbedingung umfasst.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, ein zweites Steuersignal (15) zum Ansteuern eines Schalters (18) zum Zuschalten oder Trennen des Antriebs (12) von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung abhängig von einer aus einer Eingangsspannung der Steuervorrichtung abgeleiteten Messspannung (20) zu erzeugen.
Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) ausgebildet ist, das zweite Steuersignal (15) zum Ansteuern des Schalters (18) zum Trennen des Antriebs (12) von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung zu erzeugen, wenn die Messspannung (20) ein Unterschreiten einer vorgegebenen Mindestspannung signalisiert.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (10) ein Schaltnetzteil ist, das für einen Eingangsspannungsbereich ausgelegt ist, der an den Betriebsspannungsbereich des Schaltgeräts angepasst ist, wobei der Eingangsspannungsbereich insbesondere etwa 48 Volt bis etwa 240 Volt, etwa 110 Volt bis etwa 240 Volt oder etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt beträgt.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnellentregungseinheit (22) zum Entregen einer Spule (12) des Antriebs vorgesehen ist, die automatisch beim Trennen der Spule von der vom Netzteil (10) erzeugten Anzug- oder Halte-Gleichspannung aktiviert wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellentregung (22) eine Diode und eine Zenerdiode aufweist, die als Reihenschaltung parallel zur Spule (12) des Antriebs geschaltet sind.
Schaltgerät, insbesondere Schütz, mit – einem Schaltantrieb, der eine Spule (12) aufweist, und – einer Steuervorrichtung (10, 16, 18, 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern der Stromversorgung der Spule (12).
Schaltgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (16) der Steuervorrichtung einen Mikroprozessor oder Mikrokontroller aufweist, der durch ein in einem Speicher abgelegtes Programm konfiguriert ist, ein Steuersignal (14) zum Steuern der Erzeugung einer Anzug- und einer Halte-Gleichspannung durch das Netzteil (10) derart zu erzeugen, dass das Netzteil (10) bei Erfüllen von Anzugbedingungen eine Anzug-Gleichspannung für den Antrieb (12) und bei Erfüllen von Haltebedingungen eine Halte-Gleichspannung für den Antrieb (12) erzeugt.