DE10203682C2 - Elektrische Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Relais und einer zu einem Kontakt des elektromagnetischen Relais parallel angeordneten Schalteinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltanordnung (1) mit einem elektromagnetischen Relais (4) und einer mit ihren Ausgängen (A1, A2) zu einem Kontakt (4a) des elektromagnetischen Relais (4) parallel angeordneten Schalteinrichtung (5). Eine Steueranordnung (2) ist mit der Spule (4b) des Relais (4) und der Schalteinrichtung (5) verbunden. DOLLAR A Um eine solche Schaltanordnung relativ störungssicher auszugestalten, ist erfindungsgemäß zwischen der Steueranordnung (2) und der Spule (4b) eine Spannungserfassungseinrichtung (6) angeordnet. Mit einer der Spannungserfassungseinrichtung (6) nachgeordneten Ansteuereinheit (7) wird bei einem Einschaltbefehl ein erstes Schaltsignal (S2) erzeugt, das die Ausgänge (A1, A2) der Schalteinrichtung (5) kurzschließt. Bei Beendigung des Einschaltbefehls bleiben die Ausgänge (A1, A2) der Schalteinrichtung (5) solange kurzgeschlossen, bis der Kontakt (4a) des Relais (4) geöffnet ist. Bei fehlendem Einschaltbefehl wird über die Spannungserfassungseinrichtung (6) und die Ansteuereinheit (7) ein zweites Schaltsignal (S2) erzeugt, was den Kurzschluss der Ausgänge (A1, A2) der Schalteinrichtung (5) aufhebt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltanordnung mit einem elektromagnetischen Relais, einer mit ihren Ausgängen zu einem Kontakt des elektromagnetischen Relais parallel an­ geordneten Halbleiter-Schalteinrichtung und einer Steueran­ ordnung, die mit der Spule des elektromagnetischen Relais und der Halbleiter-Schalteinrichtung in Verbindung steht.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der US-Patent­ schrift 5,933,304 bekannt. Bei der bekannten Anordnung ist eine Halbleiter-Schalteinrichtung parallel zu einem durch zu­ mindest ein elektromagnetisches Relais ein- bzw. ausschaltba­ ren primären Strompfad geschaltet und bildet einen sekundären Strompfad. Mittels einer elektronischen Steuerung wird dafür gesorgt, dass beim Einschalten zunächst die Halbleiter- Schalteinrichtung den sekundären Strompfad schließt und der primäre Strompfad erst im Anschluss daran geschlossen wird. Beim Ausschalten wird zunächst der primäre, dann der sekun­ däre Strompfad geöffnet. Für das Öffnen und Schließen der Halbleiter-Schalteinrichtung bzw. des zumindest einen elektromagnetischen Relais werden von der elektronischen Steuerung jeweils separate Einschalt- bzw. Ausschaltbefehle erzeugt.

Ferner ist eine Anordnung der oben genannten Art auch aus dem Gerätehandbuch "Schutztechnik-Digitaler Oberleitungsschutz 7SA518/519 V3.2" der Siemens AG, November 1999, (vgl. S. 3-6, R-13 und R-15) als sog. Schnellauslöseeinheit bekannt. Diese Schnellauslöseeinheit dient dazu, die Einschaltzeit einer nachgeordneten Schutzeinrichtung zu verringern. Dazu ist eine Schaltanordnung mit ihren Ausgängen parallel zu einem Kontakt eines elektromagnetischen Kommandorelais angeordnet. Sowohl die Schaltanordnung als auch das Kommandorelais sind über getrennte Verbindungsleitungen mit einer Steuereinheit verbunden. Wenn die Steueranordnung einen Schaltbefehl ab­ gibt, werden sowohl der Kontakt des elektromagnetischen Re­ lais als auch der Ausgang der Schaltanordnung kurzgeschlos­ sen. Die Schaltanordnung ist so ausgelegt, dass ihre Ein­ schaltzeit deutlich kürzer ist als die des elektromagneti­ schen Relais, so dass für die Einschaltzeit des nachgeordne­ ten Schutzgerätes die Einschaltzeit der Schaltanordnung und nicht diejenige des elektromagnetischen Relais bestimmend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanord­ nung der genannten Art bezüglich ihrer Unempfindlichkeit ge­ genüber elektromagnetischen Störungen bei gleichzeitiger ge­ ringer Belastung des Relaiskontaktes durch Lichtbogenüber­ schlag weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwi­ schen der Steueranordnung und der Spule des elektromagneti­ schen Relais eine Spannungserfassungseinrichtung angeordnet ist, die bei der Abgabe eines Einschaltbefehls seitens der Steueranordnung eine nachgeordnete Ansteuereinheit zum Einschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung mittels eines ersten Schaltsignals veranlasst, bei Beendigung des Ein­ schaltbefehls die Ansteuereinheit veranlasst, durch Aufrecht­ erhaltung des Schaltsignals die Halbleiter-Schalteirichtung weiterhin eingeschaltet zu halten, bis der Kontakt des elektromagnetischen Relais geöffnet ist, und bei fehlendem Einschaltbefehl die Ansteuereinheit zum Öffnen der Halb­ leiter-Schalteinrichtung mittels eines zweiten Schaltsignals veranlasst.

Zwar ist auch aus der US-Patentschrift US 4,745,511 eine Schaltanordnung bekannt, bei der in Abhängigkeit von der eine Spule eines elektromagnetischen Relais ansteuernden Spannung ein parallel zu einem Relaiskontakt angeordneter Halbleiter­ schalter zur Lichtbogenunterdrückung zeitlich vor dem Relais­ kontakt schließt und zeitlich nach diesem öffnet. Allerdings findet bei der bekannten Schaltungsanordnung keine Erzeugung eines den Halbleiterschalter zuverlässig öffnenden Signals statt, falls keine die Spule ansteuernde Spannung vorliegt.

Ferner ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 01 916 A1 eine Schaltanordnung beschrieben, bei der die Schaltstellung eines beweglichen Relaiskontaktes beim Aus­ schalten durch die Überwachung der in der Relaisspule beim Öffnen des Kontaktes induzierten Spannung erkannt werden kann. Eine separate Logikschaltung öffnet nach Erkennen einer ausreichend geöffneten Stellung des Relaiskontakts einen pa­ rallel zu diesem angeordneten Halbleiterschalter.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung kann sowohl eine schnelle Einschaltzeit nachgeordneter Geräte gewährleistet werden, als auch der Kontakt des Relais dadurch geschont wer­ den, dass die elektrische Leistung während des Öffnens des Relaiskontaktes vollständig von der Schalteinrichtung über­ nommen wird. Außerdem verhindert die erfindungsgemäße Anord­ nung mit großer Sicherheit ein durch äußere Störungen veran­ lasstes versehentliches Kurzschließen der Ausgänge der Schaltanordnung und damit ein ungewolltes Ansteuern nachge­ ordneter Geräte bei fehlendem Einschaltbefehl für das Relais.

Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass die Spannungserfassungseinrichtung einen Gleichrichterschaltung aufweist, die eingangsseitig mit der Steueranordnung und der Spule des elektromagnetischen Relais verbunden ist und ausgangsseitig über einen Komparator mit der Ansteuereinheit verbunden ist. Über die Gleichrichter­ schaltung erhält der nachgeordnete Komparator hierbei sowohl bei einem anliegenden Einschaltbefehl durch die Steueranord­ nung als auch bei einer durch Induktion in der Spule des elektromagnetischen Relais beim Ausschaltvorgang entstehenden Spannung ein eindeutiges Signal, was den Komparator veran­ lasst, die nachgeordnete Ansteuereinheit solchermaßen anzu­ steuern, dass diese bei Beginn eines Einschaltbefehls die Schalteinrichtung kurzschließt und bei Beendigung des Ein­ schaltbefehls den kurzgeschlossenen Zustand der Schaltein­ richtung über eine bestimmte Zeit aufrecht erhält.

Vorteilhafterweise wird ein Eingang des Komparators dauerhaft mit einer Spannung beaufschlagt. Bei Wahl einer Spannung in der Art, dass diese entgegengesetzt zu der von der Gleich­ richterschaltung an den Komparator abgegebenen Spannung ge­ polt ist, kann erreicht werden, dass der Komparator an die nachgeordnete Ansteuereinheit ein eindeutiges Signal abgibt, das diese zum Öffnen der Schalteinrichtung veranlasst.

In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen An­ ordnung weist die Ansteuereinheit zwei in der Weise gegenpha­ sig angesteuerte Signalumwandlungselemente auf, dass jeweils ein Signalumwandlungselement aktiv und ein Signalumwandlungs­ element inaktiv ist.

Hierdurch kann auf einfache Weise bei einem vom Komparator abgegebenen ersten Signal die Ansteuereinheit veranlasst wer­ den, die Schalteinrichtung zu schließen und bei einem vom Komparator abgegebenen zweiten Signal mit umgekehrten Vorzei­ chen wie beim ersten Signal die Ansteuereinheit zum Öffnen der Schalteinrichtung veranlasst werden. Je nach Vorzeichen des vom Komparator abgegebenen Signals wird in dieser Ausfüh­ rung entweder das eine oder das andere Signalumwandlungsele­ ment angesteuert.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, dass über das jeweils aktive Signalum­ wandlungselement die Ausgänge des jeweils inaktiven Signalum­ wandlungselements kurzgeschlossen werden. Durch das jeweilige Kurzschließen desjenigen Signalumwandlungselementes, das ge­ rade kein Signal abgibt, wird die Anfälligkeit der Anordnung gegen elektromagnetische Störungen weiter herabgesetzt.

Vorteilhafterweise können die Signalumwandlungselemente durch Spannungswandler gebildet werden.

Alternativ können die Signalumwandlungselemente vorteilhaft­ erweise durch photovoltaische Generatoren gebildet werden. Photovoltaikrelais an sich sind beispielsweise aus "Relais­ technik; Grundlagen und neueste Entwicklungen, EURO Matsu­ shita", Landsberg/Lech: Verlag Moderne Industrie, 1998 bekannt.

Vorteilhafterweise weist die Schalteinrichtung mindestens ei­ nen MOS-Transistor auf. Auf diese Weise kann die benötigte Schaltleistung bei niedriger Ansteuerleistung nach einer re­ lativ geringen Einschaltzeit zur Verfügung gestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltanordnung sieht vor, dass die Schalteinrichtung bidi­ rektional arbeitet. Auf diese Weise können an dem Ausgang der Schaltanordnung sowohl Gleichströme als auch Wechselströme geschaltet werden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt.

Eine Schaltanordnung 1 weist eine Steueranordnung 2 auf, mit der ein an Ausgängen 3 der Schaltanordnung 1 angeschlossenes (in der Figur nicht dargestelltes) Gerät eingeschaltet wird. Die Ausgänge 3 der Schaltanordnung 1 sind parallel zu einem Kontakt 4a eines elektromagnetischen Relais 4 und zum Ausgang einer Schalteinrichtung 5 angeordnet. Die Spule 4b des elektromagnetischen Relais 4 ist direkt mit der Steueranord­ nung 2 verbunden. Zwischen der Steueranordnung 2 und dem elektromagnetischen Relais 4 befindet sich eine Spannungser­ fassungseinrichtung 6, deren Ausgang über eine Ansteuerein­ heit 7 mit der Schalteinrichtung 5 verbunden ist.

Die Anordnung arbeitet wie folgt: Wenn von der Steueranord­ nung 2 ein Einschaltbefehl abgegeben wird, wird die Spule 4b des elektromagnetischen Relais 4 erregt und schließt den Kon­ takt 4a. Aufgrund der mechanischen Trägheit des Kontaktes 4a besitzt das elektromagnetische Relais 4 eine Einschaltzeit, die üblicherweise größer als 5 ms ist. Zeitgleich mit der Spule 4b des elektromagnetischen Relais 4 erhält die Span­ nungserfassungseinrichtung 6 den Einschaltbefehl von der Steueranordnung 2. Die Spannungserfassungseinrichtung 6 gibt ein Betätigungssignal B an die Ansteuereinheit 7 weiter, in der ein erstes Schaltsignal S1 erzeugt wird, wodurch die Aus­ gänge A1 und A2 der Schalteinrichtung 5 kurzgeschlossen wer­ den. Da die Schalteinrichtung 5 üblicherweise aus elektroni­ schen Komponenten besteht, besitzt sie eine deutliche kürzere Einschaltzeit als das elektromagnetische Relais 4. Somit schließt bei Abgabe des Einschaltbefehls durch die Steueran­ ordnung 2 zuerst die Schalteinrichtung 5 ihre Ausgänge A1 und A2 kurz und übernimmt die volle Leistung zur Ansteuerung des an den Ausgängen 3 angeschlossenen Gerätes. Sobald der Kon­ takt 4a des Relais 4 geschlossen ist, kann ein großer Teil der Leistung über den geschlossenen Kontakt 4a geführt wer­ den.

Bei Beendigung des von der Steueranordnung 2 abgegebenen Ein­ schaltbefehls wird das Magnetfeld in der Spule 4b des elektromagnetischen Relais 4 abgebaut. Dadurch wird an den Eingängen der Spule 4b eine Gegenspannung induziert, die von der Spannungserfassungseinrichtung 6 erfasst wird. Die indu­ zierte Spannung steht solange an, bis das Magnetfeld in der Spule 4b vollständig abgebaut ist und der Kontakt 4a des elektromagnetischen Relais 4 damit geöffnet ist. Über die Spannungserfassungseinrichtung 6 wird, solange die induzierte Spannung ansteht, das Betätigungssignal B an die Ansteuerein­ heit 7 und somit das Schaltsignal S1 zum Kurzschließen der Ausgänge A1 und A2 der Schalteinrichtung 5 aufrechterhalten. Die Entstehung eines Lichtbogens an dem Kontakt 4a des elekt­ romagnetischen Relais 4 während des Öffnens wird dadurch ver­ hindert, dass der Strom weiterhin über den geschlossenen Aus­ gang der Schalteinrichtung 5 fließen kann. Erst wenn das Mag­ netfeld abgebaut ist und der Kontakt 4a des elektromagneti­ schen Relais 4 vollständig geöffnet ist, hebt auch die Schalteinrichtung 5 den Kurzschluss an ihren Ausgängen A1 und A2 auf.

Wenn die Steueranordnung 2 keinen Einschaltbefehl abgibt bzw. aufrechterhält, wird von der Spannungserfassungseinrichtung 6 über die Ansteuereinheit 7 an die Schalteinrichtung 5 ein weiteres Schaltsignal S2 zum Öffnen bzw. Geöffnet-Halten der Ausgänge A1 und A2 der Schalteinrichtung 5 abgegeben. Auf diese Weise wird ein durch elektromagnetische Störungen her­ vorgerufenes versehentliches Einschalten der Schalteinrich­ tung 5 vermieden.

Im Weiteren sollen anhand der Figur die Funktionsweisen der Spannungserfassungseinrichtung 6, der Ansteuereinheit 7 und der Schalteinrichtung 5 genauer erläutert werden. Die Span­ nungserfassungseinrichtung 6 enthält eine Gleichrichterschal­ tung 13 und einen Komparator 14. Die Gleichrichterschaltung 13 liefert sowohl bei einem Einschaltbefehl als auch bei Vor­ liegen einer induzierten Spannung eine positive Spannung an den Komparatorbaustein 14, der daraufhin an seinem Ausgang A3 ebenfalls ein sogenanntes "High"-Signal, d. h. eine positive Gegenspannung abgibt. Liegt weder ein Einschaltbefehl noch eine induzierte Spannung vor, kommt eine negative Spannung an einem weiteren Anschluss 15 des Komparators 14 zur Wirkung; der Komparator 14 gibt somit eine negative Spannung an seinem Ausgang A3 ab. Die negative Spannung am Anschluss 15 ist da­ bei so bemessen, dass sie geringer ist als die von der Gleichrichterschaltung im Falle eines Einschaltbefehls von der Steueranordnung 2 abgegebene positive Spannung.

In der Ansteuereinheit 7 befinden sich zwei Signalumwand­ lungselemente 16 und 17, die mit Hilfe eines Invertierers 18 genau gegenphasig an dem Ausgang A3 des Komparators 14 ange­ schlossen sind. In der Figur sind die Signalumwandlungsele­ mente 16 und 17 als photovoltaische Generatoren dargestellt. Liefert der Komparator 14 ein High-Signal, so wird am Ausgang des Signalumwandlungselements 16 eine Spannung erzeugt. Durch den Invertierer 18 erhält das Signalumwandlungselement 17 ein "Low"-Signal, d. h. keine Spannung an seinem Eingang und lie­ fert daher keine Ausgangsspannung. Gibt der Komparator 14 an seinem Ausgang ein Low-Signal ab, so kehrt sich das Verhalten der Signalumwandlungselemente 16 und 17 genau um: Das Signal­ umwandlungselement 16 gibt keine Ausgangsspannung ab, während am Ausgang des Signalumwandlungselements 17 eine Spannung an­ liegt. Die Ansteuereinheit 7 enthält außerdem Transistoren 20 und 21, mit denen jeweils die Ausgänge desjenigen Signalum­ wandlungselements (16, 17), das keine Spannung an seinem Aus­ gang abgibt, kurzgeschlossen werden können. Auf diese Weise wird die Anfälligkeit gegen elektromagnetische Störungen wei­ ter reduziert.

Die Schalteinrichtung 5 kann - wie in der Figur dargestellt - zwei Leistungs-MOS-Transistoren 22 und 23 aufweisen, die mit ihren Source-Anschlüssen miteinander verbunden sind, wohinge­ gen die beiden Drain-Anschlüsse der Leistungstransistoren 22 und 23 die Ausgänge A1 und A2 der Schalteinrichtung 5 bilden. Die Gate-Anschlüsse der Leistungstransistoren 22 und 23 sind miteinander und mit dem positiven Ausgang des Signalumwand­ lungselementes 16 verbunden, während die beiden Source-An­ schlüsse mit dem positiven Ausgang des Signalumwandlungsele­ ments 17 verbunden sind. Liefert nun das Signalumwandlungs­ element 16 an seinem Ausgang eine Spannung (dies ist dann der Fall, wenn vom Komparator 14 ein High-Signal abgegeben wird), so wird an die Gate-Anschlüsse der Leistungstransistoren 22 und 23 eine positive Spannung angelegt und die Transistoren 22 und 23 werden durchgesteuert. Somit kann ein Strom über die Ausgänge 3 der Schaltanordnung 1 fließen. Liefert das Signalumwandlungselement 17 eine Ausgangsspannung (das ist dann der Fall, wenn vom Komparator 14 ein Low-Signal abgege­ ben wird), so wird an den Source-Anschlüssen der Leistungs­ transistoren 22 und 23 eine gegenüber dem Gate-Anschluss po­ sitive Spannung angelegt, und die Leistungstransistoren sper­ ren den Stromfluss.

Alternativ dazu ist es auch möglich, ein Sperren der Leis­ tungstransistoren 22, 23 zu erreichen, indem die Source-Gate- Anschlüsse der Leistungstransistoren 22, 23 kurzgeschlossen werden. Dazu sind die Verbindung zwischen dem positiven Aus­ gang des Signalumwandlungselements 17 und den Source-An­ schlüssen der Leistungstransistoren 22, 23 zwischen den Punk­ ten P1 und P2 zu entfernen und stattdessen die Source-An­ schlüsse der Leistungstransistoren 22, 23 an Punkt P2 mit dem Source-Anschluss des Transistors 20 an Punkt P3 zu verbinden.

Claims (9)

1. Elektrische Schaltanordnung (1) mit
einem elektromagnetischen Relais (4),
einer mit ihren Ausgängen (A1, A2) zu einem Kontakt (4a) des elektromagnetischen Relais (4) parallel angeordneten Halbleiter-Schalteinrichtung (5) und
einer Steueranordnung (2), die mit der Spule (4b) des e­ lektromagnetischen Relais (4) und der Halbleiter-Schalt­ einrichtung (5) in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Steueranordnung (2) und der Spule (4b) des e­ lektromagnetischen Relais (4) eine Spannungserfassungsein­ richtung (6) angeordnet ist, die
bei der Abgabe eines Einschaltbefehls seitens der Steuer­ anordnung (2) eine nachgeordnete Ansteuereinheit (7) zum Einschalten der Halbleiter-Schalteinrichtung (5) mittels eines ersten Schaltsignals (S1) veranlasst,
bei Beendigung des Einschaltbefehls die Ansteuereinheit (7) veranlasst, durch Aufrechterhaltung des Schaltsignals (S1) die Halbleiter-Schalteinrichtung (5) weiterhin ein­ geschaltet zu halten, bis der Kontakt (4a) des elektromag­ netischen Relais (4) geöffnet ist, und
bei fehlendem Einschaltbefehl die Ansteuereinheit (7) zum Öffnen der Halbleiter-Schalteinrichtung (5) mittels eines zweiten Schaltsignals (S2) veranlasst.

2. Elektrische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungserfassungseinrichtung (6) eine Gleichrichter­ schaltung (13) aufweist, die eingangsseitig mit der Steueran­ ordnung (2) und der Spule (4b) des elektromagnetischen Relais (4) verbunden ist und ausgangsseitig über einen Komparator (14) mit der Ansteuereinheit (7) verbunden ist.

3. Elektrische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang (15) des Komparators (14) dauerhaft mit einer Spannung beaufschlagt ist.

4. Elektrische Schaltanordnung (1) nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinheit (7) zwei in der Weise gegenphasig ange­ steuerte Signalumwandlungselemente (16, 17) aufweist, dass je­ weils ein Signalumwandlungselement (16, 17) aktiv und ein Sig­ nalumwandlungselement (16, 17) inaktiv ist.

5. Elektrische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass über das jeweils aktive Signalumwandlungselement (16, 17) die Ausgänge des jeweils inaktiven Signalumwandlungselements (16, 17) kurzgeschlossen sind.

6. Elektrische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalumwandlungselemente (16, 17) Spannungswandler sind.

7. Elektrische Schaltanordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalumwandlungselemente (16, 17) photovoltaische Genera­ toren sind.

8. Elektrische Schaltanordnung (1) nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) mindestens einen MOS-Transistor aufweist.

9. Elektrische Schaltanordnung (1) nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (5) bidirektional arbeitet.