DE19535211C2 - Method for controlling armature movement for a switching device - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Ankerbewegung für ein Schaltgerät mit Erregerwicklung, Kern und Anker, bei dem ein mittels eines Sensors gemessener Ist­ wert des Magnetflusses im Eisenkreis mit einem Sollwert ver­ glichen und bei positiver Differenz zwischen Soll- und Istwert die Steuerspannung an die Erregerwicklung gelegt wird.The invention relates to a method for regulating the Armature movement for a switching device with excitation winding, core and anchor, in which an actual measured by means of a sensor value of the magnetic flux in the iron circuit with a setpoint ver same and if there is a positive difference between the setpoint and actual value the control voltage is applied to the field winding.

Elektromagnetische Schaltgeräte lösen in vielen Industriezwei­ gen die Aufgabe des willkürlichen oder selbsttätigen Öffnens und Schließens elektrischer Stromkreise, wobei über elektri­ sche Kontakte eine Verbindung zwischen Leitern hergestellt bzw. unterbrochen wird. Bei der Öffnung stromdurchflossener Kontaktstücke entsteht in der Regel ein Lichtbogen, durch den der Stromfluß weiter aufrechterhalten wird. Das führt auch bei angepaßten Kontaktwerkstoffen zu elektrischem und mechanischem Verschleiß und letztendlich zu Verlust an Kontaktmaterial, wo­ durch die Lebensdauer des Schaltgerätes begrenzt wird. Dieser als Abbrand bezeichnete Verschleiß, wird durch das Schmelzen und Verdampfen von Kontaktmaterial im Lichtbogen, den Trans­ port des Kontaktmaterials von einem Kontakt zum anderen und die thermische und mechanische Erosion der Kontaktoberfläche während der Schaltphasen hervorgerufen. Besonders kritisch hinsichtlich des Abbrandes ist die Kontaktgabe, wenn zuvor ei­ ne Lichtbogensäule zwischen den Kontaktstücken stand, weil ge­ gebenenfalls das Kontaktmaterial an der Oberfläche geschmolzen ist. Das kann bei Kurzschlußströmen zu einem Verschweißen der Kontaktstücke führen. Wenn das Kontaktmaterial aufgebraucht ist, kann kein zuverlässiger elektrischer Kontakt mehr aufge­ baut werden, so daß damit die Funktion des Gerätes nicht mehr gewährleistet ist. Durch den Hersteller wird eine Anzahl von Schaltspielen anhand durchgeführter elektrischer Lebensdauer­ prüfungen an Mustern für bestimmte Gebrauchskategorien angege­ ben.Electromagnetic switchgear solves in many industrial branches the task of arbitrary or automatic opening and closing electrical circuits, wherein via electri contacts established a connection between conductors or is interrupted. More current-carrying when opening Contact pieces usually form an arc through which the flow of electricity is maintained. That also leads to adapted contact materials to electrical and mechanical Wear and ultimately loss of contact material where is limited by the lifespan of the switching device. This Wear, referred to as erosion, is caused by melting and vaporization of contact material in the arc, the trans port of contact material from one contact to another and the thermal and mechanical erosion of the contact surface caused during the switching phases. Particularly critical with regard to the erosion, contact is made if previously ne column of arcing between the contact pieces because ge if necessary, the contact material melted on the surface is. This can lead to welding of short-circuit currents Guide contact pieces. When the contact material is used up reliable electrical contact can no longer be established be built, so that the function of the device is no longer is guaranteed. By the manufacturer a number of Switching cycles based on the electrical service life tests on samples for certain usage categories ben.

In der sehr oft auftretenden Gebrauchskategorie AC-3 (Schalten von Käfigläufermotoren) entsteht der Abbrand fast ausschließ­ lich beim Einschalten, weil der Einschaltstrom das 6- bis 8fache des Nennstromes beträgt. Ausgeschaltet werden muß bei laufendem Motor nur der Nennstrom bei einer um die Motor-in­ duktionsspannung verminderten Netzspannung über den Kontakten. Aus diesen Gründen ist ersichtlich, daß die Lichtbogenenergie und damit der Abbrand während des Einschaltens wesentlich hö­ her als beim Ausschalten ist. Da der Kontaktapparat ein schwingfähiges Feder-Masse-System darstellt, tritt beim Ein­ schalten ein Prellen der Kontakte auf. Die Kontaktstücke öff­ nen sich nach einer ersten Berührung noch ein oder mehrere Ma­ le. Fließt dabei Strom, wird bei Netzspannung normalerweise ein Lichtbogen gezogen. Der von dem Lichtbogen verursachte Ab­ brand nimmt mit steigendem Strom zu. Die Größe dieses Stromes im Lastkreis hängt vom augenblicklichen Phasenwinkel und von dem transienten Einschwingvorgang, der durch die elektrische Zeitkonstante der Last bestimmt wird, ab. Besonders kritisch sind späte Öffnungen der Kontakte, die z. B. durch starkes An­ kerprellen hervorgerufen werden können, weil die Lichtbogen­ energie und damit der Abbrand durch den großen Strom um ein Vielfaches höher ist als kurz nach der ersten Kontaktgabe.In the very often occurring usage category AC-3 (switching of squirrel-cage motors) the burn-off occurs almost exclusively  Lich when switching on because the inrush current is 6 to Is 8 times the nominal current. Must be turned off at running motor only the rated current at one around the motor-in reduced supply voltage across the contacts. For these reasons, it can be seen that the arc energy and thus the burn-up significantly higher during switch-on than when switching off. Because the contact apparatus is a Vibration-capable spring-mass system occurs when entering switch on a bouncing of the contacts. Open the contact pieces one or more measures after a first touch le. If current flows during this, it is usually at mains voltage an arc drawn. The Ab caused by the arc brand increases with increasing electricity. The size of this stream in the load circuit depends on the current phase angle and the transient settling process caused by the electrical Time constant of the load is determined. Particularly critical are late openings of the contacts, the z. B. by strong on bounces can be caused because of the arcing energy and thus the burn-up caused by the large current Is much higher than shortly after the first contact.

Allgemein kann man sagen, daß mit Zunahme der Prellgesamtdauer und der mechanischen Prellamplitude der Abbrand überproportio­ nal zunimmt.In general it can be said that with an increase in the total bounce time and the mechanical bounce amplitude of the erosion overproportionately nal increases.

Daraus kann geschlußfolgert werden, daß eine Halbierung der Prellgesamtzeit den Abbrand auf weniger als die Hälfte ver­ kleinert.It can be concluded from this that the halving of the Total bounce time burns to less than half diminishes.

Ein Weg zur Verringerung des Einschaltprellens besteht in der Absenkung der Geschwindigkeit der Kontaktstücke bei Kontaktga­ be, im folgenden Kontaktgabegeschwindigkeit genannt, auf einen dem Kontaktapparat angepaßten Wert. Diese Geschwindigkeit geht über die kinetische Energie in alle üblichen Dimensionierungs­ ansätze für die Kontaktkraft quadratisch ein. Die Kontaktgabe­ geschwindigkeit wird von der Amplitude und der Startphasenlage der Steuerspannung, der Umgebungstemperatur, den Toleranzen der Kontakt- und Rückholfedern, der örtlichen Verschiebung des Kraftsprunges bei Kontaktgabe aufgrund von Abbrand und verän­ derten Lastkräften durch angebaute Zusatzeinrichtungen sowie durch Verschleiß bzw. Alterung steigende Reibkräfte beein­ flußt. Der Schaltgeräteantrieb ist immer so dimensioniert, daß auch noch unter den schlechtesten Einsatzbedingungen ein siche­ rer Anzug gewährleistet wird. Das hat aber ein breites Spek­ trum der Kontaktgabegeschwindigkeiten (z. B. von 1,3 bis 2,8 m/s) mit oft überhöhten Werten zur Folge, die zu besagtem starkem Kontaktprellen führen und eine entsprechend lange Brenndauer des Lichtbogens verursachen. Die Auslegung des Kontaktapparates kann aber nur für eine Geschwindigkeit opti­ mal sein, für die dann ein minimiertes Prellen erreicht wird. Eine untere Grenze für die Kontaktgabegeschwindigkeit wird durch die maximal zulässige Schließverzugszeit, die Stabilität des Anzugsvorganges und die zu gewährleistende Funktions­ sicherheit des Gerätes vorgegeben.One way to reduce chatter is by Reduction of the speed of the contact pieces at Kontaktga be, hereinafter called contact speed, on one value adapted to the contact apparatus. That speed goes about the kinetic energy in all usual dimensioning approaches for the contact force quadratic. The contact speed is determined by the amplitude and the starting phase the control voltage, the ambient temperature, the tolerances the contact and return springs, the local displacement of the Leap of force when contacting due to erosion and change  increased loads due to additional equipment and increasing friction forces due to wear and aging flows. The switching device drive is always dimensioned so that safe even under the worst operating conditions suit is guaranteed. But that has a broad spectrum of contact speeds (e.g. from 1.3 to 2.8 m / s) with often exaggerated values resulting in that strong contact bounce and a correspondingly long Cause the arc to burn. The interpretation of the Contact devices can only opti for one speed times, for which minimal bouncing is then achieved. There will be a lower limit on the contact speed due to the maximum permissible closing delay, the stability the tightening process and the function to be guaranteed safety of the device specified.

Aus der DE 43 14 009 A1 ist eine Schaltung zur Regelung der Ankerbewegung bei einem Relais bekannt, wobei ein Sensor den Magnetfluß der Spule mißt und den Spulenstrom entsprechend ei­ nem Soll/Istwert-Vergleich ein- bzw. ausschaltet. Als Sensor wird ein Hallelement oder eine Spule, die auf dem Kern sitzt, verwendet. Die Anordnung soll die Versorgung der Schaltung mit einer Spannung ermöglichen, die höher ist als die für das Re­ lais zulässige Steuergleichspannung.DE 43 14 009 A1 describes a circuit for regulating the Armature movement known in a relay, with a sensor Magnetic flux of the coil measures and the coil current accordingly Turns on / off the nominal / actual value comparison. As a sensor becomes a Hall element or a coil that sits on the core, used. The arrangement is intended to supply the circuit with allow a tension higher than that for the Re permissible DC control voltage.

Aus der DE 36 37 133 A1 ist ferner eine Schaltung mit einem magnetischen Sensor bekannt, bei der die Schließposition des Ankers festgestellt wird und entsprechend die Erregung der Spule zum Zwecke eines leistungsarmen Betriebes gesteuert wird. Im Haltebetrieb kann die Erregerleistung für die Spule wesentlich vermindert werden.From DE 36 37 133 A1 is also a circuit with a known magnetic sensor, in which the closed position of the Anchor is determined and accordingly the excitement of the Coil controlled for the purpose of low power operation becomes. In holding mode, the excitation power for the coil be significantly reduced.

Die DE 32 46 739 A1 beschreibt eine Schaltung zur Steuerung der Erregung eines Schützes auf einen im wesentlichen konstan­ ten Magnetfluß mittels eines Sensors. Der Wert des Magnetflus­ ses wird dabei so gewählt, daß er eine ausreichende Kraft lie­ fert, um die Kontaktschließung aufrechtzuerhalten, ohne daß übermäßige Energie in der Spule verbraucht wird. DE 32 46 739 A1 describes a circuit for control the excitation of a contactor to an essentially constant th magnetic flux by means of a sensor. The value of the magnetic flux It is chosen so that it has sufficient force ready to maintain contact closure without excessive energy is consumed in the coil.  

Aus der DE 30 47 488 A1 ist es auch schon bekannt, zum Zwecke eines universelleren Einsatzes von Schaltgeräten den Spulen­ strom zu messen und mittels einer geeigneten Regelschaltung auf einen Festwert zu begrenzen. Diese Begrenzung soll zu ei­ ner Verringerung der Kontaktgabegeschwindigkeit führen. Bei näherer Betrachtung stellt sich jedoch heraus, daß die Kon­ taktgabegeschwindigkeit immer noch einen relativ breiten Be­ reich überstreicht und diese einfache Begrenzung ungenügende Ergebnisse liefert.From DE 30 47 488 A1 it is also known for the purpose a more universal use of switching devices the coils to measure current and by means of a suitable control circuit limit to a fixed value. This limitation is said to be too lead to a reduction in the contact speed. At On closer inspection, however, it turns out that the Kon clock speed still a relatively wide range richly sweeps and this simple limitation is insufficient Delivers results.

Der Spulenstrom in einem elektro-magneto-mechanischem System gibt nur bedingt das tatsächliche mechanische Verhalten wie­ der. Dem Stromverlauf sind nur Schwankungen der Betriebsspan­ nung und der Umgebungstemperatur entnehmbar. Damit können nur diese beiden auf die gewünschte Anzugsbewegung für prellarmes Schalten wirkenden Störgrößen ausgeregelt werden.The coil current in an electro-magneto-mechanical system gives the actual mechanical behavior like the. The current flow is only fluctuations in the operating voltage voltage and the ambient temperature. With that, only these two to the desired tightening motion for low-bounce Switching disturbance variables are corrected.

In der zuletzt genannten DE 30 47 488 A1 ist auch eine Zwei­ punktregelung mit Induktionswertrückführung beschrieben wor­ den. Mittels einer Hallsonde, die in einer dem Eisenkern ein­ geschnittenen Nut plaziert ist, wird die Induktion gemessen, mit einem Sollwert verglichen und entsprechend des Vorzeichens der Differenz aus beiden Werten die Spulenspannung des Antrie­ bes an- oder abgeschalten.In the last-mentioned DE 30 47 488 A1 there is also a two point control with induction value feedback was described the. By means of a Hall probe, which is in an iron core cut groove is placed, the induction is measured, compared with a target value and according to the sign the difference between the two values is the coil voltage of the drive bes on or off.

Die Begrenzung des magnetischen Flusses ist aus verschiedenen Gründen problematisch. Zum einen wird durch den Eingriff im Eisenkern für die Plazierung des Hallsensors der Eisenkreis verletzt. Es entstehen zusätzliche Luftspalte, die die Eigen­ schaften des Antriebes verschlechtern. Zum anderen ist das vom Hallsensor generierte Signal nicht proportional dem tatsächli­ chen Fluß im Eisen, denn der Hallsensor mißt die Induktion im Luftspalt. Aufgrund der Materialabhängigkeit der Induktion, die über die magnetische Permeabilität gegeben ist, unter­ scheidet sich das Meßsignal des Hallsensors vom magnetischen Fluß im Eisen. Die Permeabilität der Luft ist konstant, wäh­ renddessen die Permeabilität im Eisen in Abhängigkeit von der wirkenden Flußdichte nichtlinearen Veränderungen unterliegt. Eine Aussage über den die Magnetkraft erzeugenden Fluß im Ei­ sen ist mit dem Hallsensor nicht möglich. Analog trifft das auch auf die DE 32 46 739 A1 zu, bei der ebenfalls ein Hall­ sensor im Eisenkreis plaziert ist.The limitation of the magnetic flux is different Problematic reasons. On the one hand, the intervention in Iron core for the placement of the Hall sensor of the iron circle injured. There are additional air gaps that are inherent deteriorate the drive. On the other hand, that's from Hall sensor generated signal is not proportional to the actual Chen flow in the iron, because the Hall sensor measures the induction in the Air gap. Due to the material dependence of induction, which is given by the magnetic permeability, below the measurement signal of the Hall sensor differs from the magnetic one River in the iron. The permeability of the air is constant, weh consequently the permeability in iron as a function of the acting flux density is subject to nonlinear changes. A statement about the magnetic flux in the egg  sen is not possible with the Hall sensor. The same applies also to DE 32 46 739 A1, in which also a Hall sensor is placed in the iron circle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das mit einfachen Mitteln relevante Ergebnisse hinsichtlich einer dem Regelungsziel angepaßten Kontaktgabege­ schwindigkeit liefert. Damit kann das Kontaktprellen minimiert werden, so daß sich der Abbrand verringert.The invention is based on the object of a method develop the relevant results with simple means with regard to a contact adapted to the regulation objective speed provides. This can minimize contact bouncing be so that the erosion is reduced.

Ausgehend von den bekannten Verfahren soll das Schaltgerät in einen geeigneten Regelkreis eingebunden werden, der in der La­ ge ist, den Anzugsvorgang im gesamten zulässigen Betriebsbe­ reich mit einer auf den Kontaktapparat zugeschnittenen Kontaktgabegeschwindigkeit, die auf minimales Prellen opti­ miert ist, durchzuführen. Die Größe der bei Kontaktgabe er­ reichten Geschwindigkeit wird wesentlich durch Höhe und Schwankungen der Steuerspannung, die Spulentemperatur, Verän­ derungen der Lastkräfte durch angebaute Zusatzgeräte und Fer­ tigungs- und Montagetoleranzen beeinflußt. Besonders die ört­ liche Verschiebung der Kontaktgabe, die sich durch den zuneh­ menden Abbrand in Richtung Anker-Kern-Berührung (Luftspalt ca. 0) verschiebt, erschwert eine Regelung. Dabei ist eine vorge­ gebene maximale Schließverzugszeit einzuhalten.Based on the known methods, the switching device in a suitable control loop can be integrated, which is in La is the tightening process in the entire permissible operating area rich with one tailored to the contact apparatus Contact speed that opti to minimal bounce is carried out. The size of the contact Reached speed is essential by height and Fluctuations in the control voltage, the coil temperature, changes changes in load forces due to attached accessories and remote ting and assembly tolerances affected. Especially the local ones shift in contact, which is caused by the increasing burning towards the anchor-core contact (air gap approx. 0) shifts, regulation complicates. One is featured given maximum closing delay.

Um ein eventuelles Sekundärprellen zu vermeiden soll zusätzlich die Geschwindigkeit des Zusammenstoßes von Anker und Kern be­ grenzt werden. Damit wird die Prellzeit der Kontakte auf ein sichers Maß beschränkt und die Lebensdauer der Kontaktmateria­ lien wird überproportional erhöht. Das Gerät soll ohne Ände­ rung der mechanischen Konstruktion mehr Schaltspiele als bis­ her verkraften und eine höhere Leistung schalten.In order to avoid any secondary bouncing, this should also be done the speed of the anchor and core collision be limited. This will make the contacts bounce on certain dimension and the lifespan of the contact material lien is increased disproportionately. The device should be without changes mechanical construction more switching cycles than up to Cope here and switch a higher power.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren, bei dem ein mittels ei­ nes Sensors gemessener Istwert des Magnetflusses im Eisenkreis mit einem Sollwert verglichen und bei positiver Differenz zwi­ schen Soll- und Istwert die Steuerspannung an die Erregerwick­ lung gelegt wird, erfindungsgemäß gelöst, indem der Sollwert aus einer Sollwertfolge aus einem Sollwertspeicher abgerufen wird, in welchem konstante Sollwerte über Zeitabschnitte abge­ legt sind. Die Sollwerte und ihre Dauer werden zuvor mit Hilfe von Simulationsrechnungen mit dem Ziel einer angepaßten Ge­ schwindigkeit bei Kontaktgabe und einer Begrenzung der Stoßge­ schwindigkeit von Kern und Anker ermittelt. Die Sollwertfolgen zwingen den Antrieb zu einem auf den Kontaktapparat zuge­ schnittenen Geschwindigkeits-Weg-Verlauf. Der im Regelkreis stattfindender Vergleich zwischen Sollmagnetfluß und Istwert veranlaßt einen Zweipunktregler, die an der Spule anliegende Betriebsspannung (Gleich- oder pulsierende Gleichspannung) mittels geeignetem Schaltelement zu- oder abzuschalten. Die dadurch hervorgerufene Unterbrechung der Energiezuführung im elektrischen Teil des Schaltgerätes überträgt sich auf den Magnetkreis und damit auf den Magnetfluß. Die Veränderung des magnetischen Flußes erhöht oder vermindert die Magnetkraft, die direkt die Beschleunigung der mechanischen Teile des An­ triebes bewirkt. Eine Verringerung der Magnetkraft hat eine Verkleinerung der Ankerbeschleunigung zur Folge. Dadurch wird die Geschwindigkeit bei Kontaktgabe so einstellbar, daß zu je­ der Zeit die Funktionssicherheit des Schaltgerätes innerhalb der zulässigen Einsatzbedingungen gegeben ist und gleichzeitig das Kontaktprellen minimiert wird, was eine überproportionale Erhöhung der elektrischen Lebensdauer des Kontaktapparates mit sich bringt. Außerdem verringert sich die Belastung der kon­ struktiven Teile des Schaltgerätes entsprechend den geminder­ ten Anker-Kern-Stößen. Dies mündet in eine Erhöhung der me­ chanischen Lebensdauer.The task is carried out using a method in which an egg Actual value of the magnetic flux in the iron circuit measured by the sensor compared with a target value and if there is a positive difference between between the setpoint and actual value, the control voltage to the excitation winding is laid, solved according to the invention by the setpoint retrieved from a setpoint sequence from a setpoint memory  in which constant setpoints are given over time periods sets are. The setpoints and their duration are determined beforehand with the help of of simulation calculations with the aim of an adapted Ge Speed when making contact and limiting the shock core and anchor speed determined. The setpoint sequences force the drive to one on the contact apparatus intersected speed-path curve. The one in the control loop comparison between target magnetic flux and actual value causes a two-point controller, the applied to the coil Operating voltage (direct or pulsating direct voltage) switch on or off using a suitable switching element. The interruption of the energy supply in the electrical part of the switching device is transferred to the Magnetic circuit and thus on the magnetic flux. The change in magnetic flux increases or decreases the magnetic force, which directly accelerate the mechanical parts of the An instinct. A reduction in the magnetic force has one The result is a reduction in the armature acceleration. This will the speed at contact is adjustable so that each the functional reliability of the switching device within the time the permissible conditions of use is given and at the same time the contact bounce is minimized, which is a disproportionate Increase the electrical life of the contact apparatus with brings itself. In addition, the load on the con structural parts of the switching device according to the geminder anchor-core joints. This results in an increase in me chan life.

Die Wirksamkeit der beschriebenen Flußregelung hinsichtlich der Kontaktgabegeschwindigkeit basiert letztendlich auf der geeigneten Ausgestaltung des Sollverlaufes für den Magnetfluß. Ein Vergleich mit mehreren Festwerten oder einem kurvenähnli­ chem Verlauf ist zwingend notwendig, um die angestrebten Ziele im gesamten zulässigen Betriebsbereich zu erreichen.The effectiveness of the flow control described with regard the contact speed is ultimately based on the suitable design of the target course for the magnetic flux. A comparison with several fixed values or a curve-like one chem course is imperative to achieve the desired goals to achieve in the entire permissible operating range.

Vorteilhafterweise weist der letzte Wert der Sollwertfolge den für den Haltevorgang des Schalters erforderlichen magnetischen Fluß auf und wird bis zum Abschalten des Gerätes als Sollwert zur Haltepulsregelung verwendet. The last value of the setpoint sequence advantageously has the magnetic required for holding the switch Flow up and is until the device is switched off as a setpoint used for holding pulse control.  

Vorteilhaft wird der Vergleich von Soll- und Istwert mit einem Komparator ausgeführt, der eine Hysterese aufweist, wobei bei positiver Differenz zwischen Soll- und Istwert mit einem Puls­ steller die Spannung an die Erregerwicklung gelegt wird und bei negativer Differenz zwischen Soll- und Istwert der Puls­ steller öffnet, so daß der Strom in der Erregerwicklung über eine Freilaufdiode weiterfließt.It is advantageous to compare the setpoint and actual value with a Comparator executed, which has a hysteresis, where at positive difference between setpoint and actual value with one pulse the voltage is applied to the excitation winding and if the difference between the setpoint and actual value is negative, the pulse adjuster opens so that the current in the field winding over a free-wheeling diode continues to flow.

Alternativ kann die Integration der Änderung des Magnetflusses dΦ/dt, das Speichern und Abrufen der Sollwertfolgen und der Vergleich von Soll- und Istwert durch einen Algorithmus in ei­ nem Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgeführt werden.Alternatively, integrating the change in magnetic flux dΦ / dt, the storage and retrieval of the setpoint sequences and the Comparison of setpoint and actual value using an algorithm in egg a microprocessor or microcontroller.

Weiterhin kann der Pulssteller mit einem Power-MOSFET ausge­ führt sein.Furthermore, the pulse controller can be equipped with a power MOSFET leads.

Aufgrund der Einfachheit eines als Induktionsspule ausgeführ­ ten Magnetflußsensors braucht der konstruktive Aufbau des Schaltgerätes nicht verändert werden und die ursprünglichen Eigenschaften des Systems bleiben erhalten. Bei einem E-Mag­ netsystem ereicht man mit einer um einen Außenschenkel geleg­ ten Induktionsspule als Sensor besonders gute Ergebnisse bei der Regelung, wobei der Istwert des Magnetflusses durch Integ­ ration ermittelt wird.Because of the simplicity of an induction coil th magnetic flux sensor needs the design of the Switchgear can not be changed and the original System properties are retained. With an e-mag netsystem is reached with one wrapped around an outer leg induction coil as a sensor particularly good results the control, whereby the actual value of the magnetic flux through integ ration is determined.

Eine Integration dieses Regelungsaufbaues in bereits bestehen­ de Schaltapplikationen ist mit minimalem Aufwand möglich. Die Kosten des Magnetflußsensors, wenn eine Induktionsspule ange­ wendet wird, sind gering. Die vorgeschlagene Schaltungsanord­ nung führt mit einem einfachen Magnetflußsensor zu ähnlich gu­ ten Eigenschaften des Schaltgerätes, wie sie die Verwendung einer bekannten Regelung mit relativ teuren mechanischen Bewe­ gungssensoren (z. B. Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Wegsensor) zur Messung der Ankerbewegung mit sich bringen wür­ de. Desweiteren ist die Sollwertvorgabe für den Flußsollver­ lauf bei der Verwendung einer Treppenfunktion mit Hilfe einer kleinen elektronischen Schaltung oder bei einem Mikrocontrol­ ler durch eine approximierte Funktion einfach realisierbar. An integration of this regulatory structure into existing ones de Switching applications are possible with minimal effort. The Cost of the magnetic flux sensor when an induction coil is attached is applied are minor. The proposed circuit arrangement voltage leads to similar gu with a simple magnetic flux sensor properties of the switchgear, such as the use a known scheme with relatively expensive mechanical movement tion sensors (e.g. acceleration, speed or Displacement sensor) for measuring armature movement de. Furthermore, the setpoint specification for the flow setpoint run when using a staircase function with the help of a small electronic circuit or at a microcontrol It can be easily implemented using an approximated function.  

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in elektromagne­ tischen Schaltgeräten einsetzbar, welche sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselspannung betrieben werden. Ihre Wirksam­ keit ist in jedem Fall unabhängig von der Einschaltphasenlage der Steuerspannung des elektromagnetischen Antriebes. Der An­ zugsvorgang wird unverzögert ausgelöst und die Schließverzugs­ zeit des Schaltgerätes wird nicht durch üblicherweise benötig­ te Totzeiten verlängert.The circuit arrangement according to the invention is in electromagnetic switchgear that can be used with both as well as operated with AC voltage. Your effectiveness speed is independent of the switch-on phase the control voltage of the electromagnetic drive. The An pulling process is triggered without delay and the closing delay time of the switching device is not usually required by te dead times extended.

Durch eine Zweipunktregelung, die die Steuerspannung an der Spule an- oder abschaltet, wird die elektrische Verlustlei­ stung deutlich gesenkt. Vor allem im Haltezustand des Schalt­ gerätes, wenn auf einen für die Haltephase ausreichenden Mag­ netfluß begrenzt wird, kann die elektrische Halteleistung un­ ter Berücksichtigung entsprechender Sicherheitszugaben auf ein Minimum eingestellt werden. Damit entfallen aufwendige und teilweise störanfällige Lösungen wie Zweispulantriebe, Spar­ widerstand mit Umschaltung durch voreilende Hilfskontakte, Zu­ satzbeschaltungen und Strombegrenzungen. In der vorgeschlage­ nen Schaltungsanordnung ist diese Zusatzaufgabe integriert.By a two-point control, which the control voltage at the Turns the coil on or off, the electrical loss is significantly reduced. Especially when the switch is stopped device if there is sufficient mag net flow is limited, the electrical holding power can un taking into account appropriate safety allowances on a Minimum can be set. This eliminates time-consuming and Solutions that are sometimes prone to failure, such as two-coil drives, savings resistance with changeover by leading auxiliary contacts, Zu set circuits and current limits. In the proposal NEN circuit arrangement, this additional task is integrated.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be described in more detail using an exemplary embodiment are explained. In the accompanying drawings:

Fig. 1: Blockschaltbild der Zweipunktregelung des Magnetflusses Fig. 1: Block diagram of the two-point control of the magnetic flux

Fig. 2: Prinzipielle Schaltungsanordnung für die Regelung Fig. 2: Basic circuit arrangement for the control

Fig. 3: Geregelter Anzugsvorgang mit Magnetflußverlauf für eine dem Kontaktapparat zugeschnittene Kontaktgabegeschwindigkeit mit vorteilhafter Sollkurve (Approximation durch Treppenfunk­ tion) Fig. 3: Regulated tightening process with magnetic flux for a contact speed tailored to the contact apparatus with an advantageous target curve (approximation by staircase function)

Fig. 4: Prellvorgang mit und ohne Regelung. Fig. 4: bouncing process with and without control.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der Zweipunktregelung des magnetischen Flusses dargestellt. Mit einem Sensor 1 für den magnetischen Fluß wird im Kern 2 oder Anker 3 der Istwert ei­ nes Teilflusses Φ_ist gemessen, der zur Erzeugung der Antriebs­ kraft beiträgt. Ein von einem Sollwertspeicher 4 in Abhängig­ keit von der Zeit vorgegebener Sollwert Φ_soll wird mit dem ge­ messenen Istwert Φ_ist auf eine Summationsstelle 5 gegeben. Der dabei ermittelte Differenzwert ΔΦ = Φ_soll - Φ_ist wird auf ei­ nen Zweipunktregler 6 gegeben. Bei positivem Differenzwert ΔΦ schaltet der Zweipunktregler 6 einen Halbleiterschalter 7 durch, so daß die Steuerspannung an die Erregerwicklung 8 ge­ legt wird.In Fig. 1 is a block diagram of the two-point control of the magnetic flux is shown. With a sensor 1 for the magnetic flux in the core 2 or armature 3, the actual value of a partial flow Φ _{ist is} measured, which contributes to the generation of the drive force. A from a setpoint memory 4 depending on the time predetermined setpoint Φ target _is measured with the ge measured actual value Φ _{is given} to a summation point 5 . The difference ΔΦ = Φ _soll - Φ _is determined is given to a two-position controller 6 . If the difference ΔΦ is positive, the two-position controller 6 switches a semiconductor switch 7 through, so that the control voltage is applied to the excitation winding 8 .

Ist der Differenzwert ΔΦ negativ, wird durch den Zweipunkt­ regler 6 der Halbleiterschalter 7 geschlossen, so daß der Strom in der Erregerwicklung 8 durch die Freilaufdiode 9 wei­ terfließt. Um eine wahlweise Ansteuerung durch Gleich- oder Wechselspannung zu ermöglichen, wird ein Zweiweggleichrichter 10 verwendet.If the difference value ΔΦ is negative, the semiconductor switch 7 is closed by the two-point controller 6 , so that the current in the excitation winding 8 flows through the freewheeling diode 9 . A two-way rectifier 10 is used in order to enable optional control by direct or alternating voltage.

In Fig. 2 ist die prinzipielle Schaltungsanordnung für die vorgeschlagene Regelung dargestellt, wobei in Fig. 2a die Re­ gelung mit diskreten Bauelementen realisiert ist und in Fig. 2b die Regelung durch einen Mikroprozessor oder Mikrocontrol­ ler übernommen wird. Als Sensor für den magnetischen Fluß dient eine Induktionsspule 11, deren Induktionsspannung U_i nach Integration mit einem Integrator 12 oder Integrationsal­ gorithmus 13 zum Fluß Φ_ist führt. Der Sollwert Φ_soll wird von einem Sollwertspeicher 14 bzw. 15 in Abhängigkeit von der Zeit T₁, T₂ . . zur Verfügung gestellt. Dabei wird der Sollwert Φ_soll durch beliebig viele diskrete Werte mit den Referenz­ spannungen U_ref1 bis U_refn repräsentiert oder digital in einem Speicher, z. B. einem EPROM, abgelegt. In einem Komparator 16 mit einstellbarer Hysterese bzw. einem Regelalgorithmus 17 wird das Stellsignal für einen Halbleiterschalter 18 ermit­ telt.In Fig. 2 the basic circuit arrangement for the proposed control system is shown, with the control system being implemented with discrete components in Fig. 2a and the control system being taken over by a microprocessor or microcontroller in Fig. 2b. As a sensor for the magnetic flux, an induction coil 11, the induced voltage U _i is used by integration with an integrator 12 or 13 for Integrationsal rithm flux Φ _is lead. The target value Φ _soll is from a desired value memory 14 or 15 in function of the time T _1, T _2. , made available. The target value Φ _{is represented} by any number of discrete values with the reference _voltages U _ref1 to U _refn or digitally in a memory, for. B. an EPROM. In a comparator 16 with adjustable hysteresis or a control algorithm 17 , the control signal for a semiconductor switch 18 is determined.

In Fig. 3 ist ein geregelter Anzugsvorgang im Diagramm darge­ stellt. In Fig. 3a ist die Spannung an der Erregerwicklung zu sehen, die durch den Halbleiterschalter in Abhängikeit von der Regelschaltung an- bzw. abgeschalten wird. Sollverlauf und Istwert des geregelten Magnetflusses in einem Außenschenkel des E-Magneten sind in Fig. 3b zu sehen. Dieser Sollkurvenver­ lauf für den Magnetfluß ist darauf optimiert, daß das Schalt­ gerät unter den zulässigen Betriebsbedingungen, wie Span­ nungs-, Last- und Temperaturschwankungen optimal arbeiten kann. Der Geschwindigkeitssollwert bei Kontaktgabe und die An­ kergeschwindigkeit sind in Fig. 3c aufgetragen. Durch die Re­ gelschaltung wird die Geschwindigkeit im Vergleich zu einem ungeregelten Anzugsvorgang wesentlich herabgesetzt und bleibt auch bei stark unterschiedlichen Einsatzbedingungen wie Effek­ tivwert der Steuerspannung, Umgebungstemperatur, angebaute Zu­ satzgeräte und Abbrand der Kontakte weitestgehend konstant.In Fig. 3, a controlled tightening process in the diagram is Darge. In Fig. 3a, the voltage is seen at the excitation winding, the arrival through the semiconductor switch in Abhängikeit from the control circuit or is turned off. The set course and actual value of the regulated magnetic flux in an outer leg of the e-magnet can be seen in FIG. 3b. This Sollkurvenver course for the magnetic flux is optimized so that the switching device can work optimally under the permissible operating conditions, such as voltage, load and temperature fluctuations. The speed setpoint upon contact and the anchor speed are plotted in Fig. 3c. Due to the control circuit, the speed is significantly reduced compared to an uncontrolled tightening process and remains largely constant even under widely differing operating conditions such as the effective value of the control voltage, ambient temperature, attached devices and consumable contacts.

Damit wird die Prelldauer und -amplitude der Kontakte stark herabgesetzt, wodurch sich das Abbrandgewicht pro Schaltspiel überproportional verringert, was für die Verlängerung der Ge­ rätelebensdauer, eine Erhöhung des Schaltvermögens oder eine Verringerung des eingesetzten Kontaktmaterials genutzt werden kann.This makes the bounce time and amplitude of the contacts strong reduced, which increases the burn-up weight per switching cycle disproportionately reduced, which is the reason for the extension of the Ge device life, an increase in switching capacity or a Reduction of the contact material used can be used can.

Durch die herabgesetzte Geschwindigkeit beim Zusammenstoß von Anker 3 und Kern 2 verringert sich die gesamte mechanische Be­ lastung des Gerätes, insbesondere der Polflächen, deutlich.Due to the reduced speed when the armature 3 and core 2 collide, the overall mechanical load on the device, in particular the pole faces, is significantly reduced.

In Fig. 4 sind zur Verdeutlichung der Vorteile der Erfindung noch einmal ein ungeregelter (Fig. 4a) und ein geregelter An­ zugsvorgang (Fig. 4b) gegenübergestellt. Bereits bei dem 1,1- fachen der Nennspannung unterscheiden sich die maximalen Ge­ schwindigkeiten von ungeregeltem Anzug mit mehr als 3 m/s zum geregelten Anzug mit dem Sollwert von 0,6 m/s deutlich. Ent­ sprechend unterschiedlich ist auch die Schwingweite des ge­ schlossenen Magnetsystems.In Fig. 4 to illustrate the advantages of the invention, an unregulated ( Fig. 4a) and a regulated on process ( Fig. 4b) are compared again. Even at 1.1 times the nominal voltage, the maximum speeds differ significantly from uncontrolled tightening with more than 3 m / s to regulated tightening with the setpoint of 0.6 m / s. The vibration range of the closed magnet system is correspondingly different.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung der Ankerbewegung für ein Schaltge­ rät mit Erregerwicklung, Kern und Anker, bei dem ein mittels eines Sensors gemessener Istwert des Magnetflusses im Eisen­ kreis mit einem Sollwert verglichen und bei positiver Diffe­ renz zwischen Soll- und Istwert die Steuerspannung an die Er­ regerwicklung gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (Φ_Soll) aus einer Sollwertfolge aus einem Sollwert­ speicher (4, 14, 15) abgerufen wird, in dem über Zeitabschnit­ te (T₁, T₂ . . .) konstante Sollwerte abgelegt sind, die durch Simulation mit dem Ziel einer angepaßten Geschwindigkeit bei Kontaktgabe und einer Begrenzung der Stoßgeschwindigkeit von Kern (2) und Anker (3) ermittelt wurden.1. A method for controlling the armature movement for a Schaltge advises with excitation winding, core and armature, in which an actual value of the magnetic flux in the iron circuit measured by means of a sensor is compared with a setpoint value and, if there is a positive difference between the setpoint and actual value, the control voltage to the Er coil winding is placed, characterized in that the desired value (Φ _ref) from a setpoint sequence from a setpoint memory (4, 14, 15) is retrieved, are stored in the te about Zeitabschnit (. T _1, T _2..) constant setpoints , which were determined by simulation with the aim of an adapted speed at contact and a limitation of the impact speed of core ( 2 ) and armature ( 3 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Sollwert der Sollwertfolge den für den Haltevorgang des Schaltgerätes erforderlichen Wert aufweist und bis zum Ab­ schalten des Schaltgerätes zur Haltepulsregelung mit einer mi­ nimalen Halteleistung verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the last setpoint of the setpoint sequence for the holding process of the Switching device has the required value and until switch the switching device for holding pulse control with an mi nominal holding power is used. 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vergleich von Sollwert (Φ_soll) und Istwert (Φ_ist) mit einen Komparator (16) ausgeführt wird, der vorteilhafterweise eine Hysterese aufweist, wobei bei po­ sitiver Differenz zwischen Soll- und Istwert (Φ_soll, Φ_ist) mit einem Halbleiterschalter (7, 18) die Spannung an die Erre­ gerwicklung (8) gelegt wird und bei negativer Differenz zwi­ schen Soll- und Istwert (Φ_soll, Φ_ist) der Halbleiterschalter (7, 18) öffnet, so daß der Strom in der Erregerwicklung (8) über die Freilaufdiode (9) weiterfließt.3. A circuit arrangement for performing the method according to claim 1 or claim 2, since by in that the comparison of target value (Φ _soll) and actual value (Φ _is) is performed with a comparator (16) which advantageously has a hysteresis, with at po sitiver difference between the desired and actual value (Φ _should Φ _is) is placed with a semiconductor switch (7, 18) the voltage at the Erre gerwicklung (8) and Zvi rule for a negative difference in nominal and actual value (Φ _should Φ _is ) the semiconductor switch ( 7 , 18 ) opens so that the current in the excitation winding ( 8 ) continues to flow via the free-wheeling diode ( 9 ). 4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Integration der Änderung des Magnetflusses (13), das Speichern und Abrufen der Sollwertfol­ gen und der Vergleich von Soll- und Istwert (Φ_soll, Φ_ist) durch einen Algorithmus (17) in einem Mikroprozessor oder Mi­ krocontroller ausgeführt wird. 4. A circuit arrangement for performing the method according to claim 3, as characterized by, that the integration of the change of the magnetic flux (13), the storage and retrieval gene Sollwertfol and the comparison of the setpoint and actual value (Φ _should Φ _is) through a Algorithm ( 17 ) is executed in a microprocessor or microcontroller. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Halbleiterschalter (7) als Power-MOSFET ausge­ führt ist.5. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the semiconductor switch ( 7 ) leads out as a power MOSFET. 6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) als Induktionsspule (11) um einen Außenschenkel eines E-Magneten (1, 3) gelegt ist.6. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor ( 1 ) as an induction coil ( 11 ) around an outer leg of an e-magnet ( 1 , 3 ) is placed.