DE19917214A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Parallelschaltung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer ParallelschaltungInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last, durch Steuern einer Parallelschaltung, bestehend aus einem Halbleiterschalter und einem oder mehreren elektro-mechanisch betätigten Schaltern. Beim Ein- und Ausschalten ist der Halbleiterschalter und beim Betrieb ist der Kontakt (4) oder sind die Kontakte (4, 4a usw.) der elektromagnetischen Schalter (5, 5a usw.) leitend. Einer von den Kontakten von zum Beispiel vier gleichzeitig angesteuerten elektromechanischen Schaltern (5) mit ihren Kontakten (4), welche den Halbleiterschalter brücken sollen, schließt immer als erster und öffnet immer als letzter. Er trägt die Schaltarbeit und verschleißt trotz dem, daß der Halbleiterschalter während der Betätigung der mechanischen Schalter angesteuert ist und nur ein geringer Schaltfunken am Kontakt entsteht, während die anderen Kontakte ohne Verschleiß bleiben. Außerdem findet bei immer gleichpoligem Ein- oder Ausschalten, eine zwar geringe aber nach vielen Schaltungen feststellbare gerichtete Materialwanderung von einer zur anderen Kontakthälfte bei dem zuerst und zuletzt schaltenden Kontakt statt. Eine Kontakthälfte baut sich ab die andere auf. Das wird mit der Erfindung durch gesteuertes Umpolen vermieden bzw. ausgeglichen. DOLLAR A Die Erfindung vermeidet die beschriebenen Nachteile und läßt alle Kontakte gleichmäßig und nur minimal verschleißen. Die Kontaktlebensdauer erreicht dadurch die des unbelastet betätigten Schalters und liegt bei der ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer
in einen Stromkreis geschalteten, elektrischen Last über
zueinander parallelschaltbare Kontakte mehrerer einzeln
ansteuerbarer elektromagnetischer Schalter, zu deren Kontakte ein
Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei beim Ein- und
Ausschalten der Halbleiterschalter und beim Betrieb die Kontakte
der elektromagnetischen Schalter leitend sind, wobei jeder der
einzelnen Kontakte automatisch von isolierenden Oxydschichten
gereinigt wird, indem jeder der einzelnen elektromagnetisch
ansteuerbaren Kontakte zu vorbestimmbaren Zeiten nach dem
Einschalten der Vorrichtung den Strom für kurze Zeit alleine
tragen muß. Dieses Verfahren ist schon im Patent DE 197 11 622 C1
beschrieben.
Mit der Erfindung soll vor allem erreicht werden, daß die dem
Halbleiterschalter parallel zu schaltenden Kontakte unter geringst
möglichem Abtrag von Kontaktmaterial geschlossen und geöffnet
werden, trotz der Belastung mit einem von der Kontaktanzahl
abhängigen Vielfachen des Kontaktnennstromes des einzelnen
Kontaktes und sich durch das Verfahren eine größtmögliche
Lebensdauer der Kontakte erzielen läßt.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens.
Bekannt ist:
Beim Schalten einer Last mittels Schützkontakten sind diese durch
Abbrand und durch Lichtbögen bei Überströmen gefährdet. Dabei
können sie auch verschweißen und nicht nur unbrauchbar werden,
sondern auch gefährliche Betriebszustände herbeiführen, da im
Fehlerfall bei verschweißten Kontakten ein Ausschalten nicht mehr
möglich ist. Schütze werden deshalb überdimensioniert und wegen
des vergleichsweise hohen Kontakt-Verschleißes häufiger
ausgetauscht.
Es sind auch kontaktlos arbeitende, elektronische Schütze oder
Lastrelais bekannt, die aber für die zu erwartenden
Kurzschlußströme überdimensioniert werden müssen. Außerdem
brauchen solche elektronischen Schütze bei Strömen über einigen
Ampere zusätzliche Kühlkörper. Elektronische Lastrelais oder
Schütze sind üblicherweise für Spannungen bis zu 600 V und Strömen
bis zu 120 A erhältlich. Nachteilig ist hierbei, daß durch den
auftretenden Spannungsabfall eine nicht unerhebliche
Verlustleistung und damit Wärme auftritt, die über
Kühleinrichtungen abgeführt werden muß.
Es ist weiterhin bekannt, diesen elektronischen Lastrelais
mechanische Schalter parallel zu schalten, um nach dem Einschalten
durch das elektronische Lastrelais den Laststrom über mechanische
Kontakte zu führen, um die Verlustleistung am elektronischen
Lastrelais zu vermeiden. Somit wird die Wärmeentwicklung an den
Halbleitern und der Lichtbogen beim Ein- und Ausschalten an den
Schützkontakten unterbunden.
Aus der P 41 32 208 ist ein solches Parallelschalten eines
Relaiskontaktes zu einem elektronischen Schalter bekannt, wobei
der elektronische Schalter nur zum Ende einer Netzspannungs-
Halbwelle leitend gemacht wird und der Relais-Kontakt genau zur
selben Zeit geschlossen wird. Dadurch ist eine
Kurzschlußfestigkeit beim Einschalten und im Dauerbetrieb
gewährleistet, weil für den elektronischen Schalter auch bei einem
Ausgangskurzschluß nur eine geringe Belastung vorhanden ist und
der mechanische Schalter aufgrund der geringen zu überbrückenden
Spannung keinen Lichtbogen beim prellenden Schließen aushalten muß
und somit nicht verschweißen kann. Der mechanische Kontakt wird
dazu beim Ausschalten vor dem elektronischen Schalter geöffnet.
Es sind auch Kombinationen von mechanischen und elektronischen
Schaltern bekannt, bei denen voreilende Kontakte des mechanischen
Schalters ein Thyristorpaar leitend machen und die Hauptkontakte
dieses Thyristorpaar brücken.
Weiterhin ist aus der DE 34 32 025 A1 ein Schaltgerät mit einem
Hybrid-Schalter bekannt, bei dem zusätzlich zu einem
elektronischen Festkörperschalter und einem dazu parallel
geschalteten, elektromechanischem Schalter ein weiterer
elektromechanischer Schalter vorgesehen ist, der in Reihe zu dem
elektronischen Festkörperschalter geschaltet ist. Durch die beiden
elektromechanischer Schalter in den beiden Parallelstrecken kann
ein Verbraucher galvanisch von der Stromquelle getrennt werden.
Zum Stand der Technik gehört es ebenfalls nach der oben
beschriebenen Art, zu einem Halbleiterschalter einen einzelnen
Schütz- oder Relaiskontakt parallelzuschalten, wobei der
Halbleiterschalter gesperrt wird wenn der mechanische Kontakt
geschlossen hat und der Halbleiterschalter leitend gemacht wird
bevor der mechanische Kontakt öffnet. Beim Sperren des
Halbleiterschalters bei geschlossenem mechanischen Kontakt wird
automatisch der Kontakt gereinigt, das heißt es werden seine
isolierenden Oxydschichten durchbrochen weil bei deren
Vorhandensein die am isolierten Kontakt anliegende Frittenspannung
automatisch über das erforderliche Maß von einigen Volt ansteigt.
Wenn solche Hybridschalter zum Schalten größerer Ströme gefordert
werden war es bisher nötig, elektromechanische Schütze zu
verwenden, welche mit Ihren Kontakten dem Halbleiterschalter
parallelgeschaltet wurden, wobei ein Kontaktpaar, wegen dem
Frittenspannungsproblem, auf den vollen Laststrom auszulegen war.
Da Schütze aber immer 3 oder mehr Kontaktpaare haben ist diese
Lösung teuer und großvolumig. Außerdem sind Schütze oder Relais
für große Ströme von zum Beispiel 48 Ampere, träge im Abfallen,
das heißt zum Öffnen der Kontakte brauchen sie mehr als wenige
Millisekunden, was Anwendungen ausschließt, die ein schnelles
Ausschalten des ganzen Schalters innerhalb der
Netzspannungshalbwelle erfordern, in welcher ein Fehler im
Stromkreis oder in der Speisung des Stromkreises festgestellt
wurde.
In der Praxis hat es sich bei der Überbrückung von
Halbleiterschaltern durch mehrere parallelgeschaltete Kontakte
gezeigt, daß die Kontakte nach einiger Zeit oxydieren können, so
daß häufig unbemerkt, die wenigen oder der eine noch im Stromfluß
liegenden Kontakte auch im normalen Betrieb den vollen Laststrom
übernehmen und dann nach einiger Zeit zerstört werden, da sie
nicht für diesen Laststrom im Dauerbetrieb dimensioniert
beziehungsweise ausreichend gekühlt sind. Die Folge ist ein
Ausfall der Geräte. Beim oben beschriebenen Kontaktreinigen kommt
es in der Regel vor, daß nur einer der mehreren
parallelgeschalteten Kontakte eines einzelnen elektromagnetischen
Schalters gereinigt wird. Die anderen Kontakte bleiben durch die
Oxydschichten isoliert, sodaß nur der eine Kontakt den Stromfluß
übernimmt und deshalb überlastet wird.
Das Patent DE 197 11 622 C1 beschreibt ein Verfahren und eine
Vorrichtung, welche die sich auf Kontakten bildenden
Oxydschichten auch dann beseitigt, wenn mehrere
parallelgeschaltete elktromechanische Kontakte, welche einzeln
ansteuerbar sind, die Halbleiterschalterüberbrückung vornehmen.
Das Patent zeigt in den beschreibenden Bildern, wie die
Frittenspannung bei einer zum Beispiel negativen Netz
spannungshalbwelle an einen einzelnen mit einer Isolierschicht
belegten Kontakt gelegt wird, wie die Isolierschicht durchbrochen
wird und wie die erfolgreiche Isolierschicht-Beseitigung
kontrolliert wird. Es beschreibt, daß die Kontaktoberflächen nach
einer vorgebbaren Anzahl von Schaltvorgängen oder einer längeren
Ausschaltzeit, von isolierenden Oxydschichten gereinigt werden.
Das Patent beschreibt jedoch nicht wie das möglichst Kontakt
material-abtragsfreie Schließen und Öffnen der Kontakte geschehen
soll, was für elektromechanisch betätigte Schalter die bei großen
Lastströmen häufig betätigt werden sehr wichtig ist zum Erreichen
einer hohem Lebensdauer für die Kontakte, welche ähnlich der
Lebensdauer der Kontaktmechanik sein sollte.
In der Praxis hat sich außerdem gezeigt, daß Hybridschalter, welche
aus einer Parallelschaltung von einem Halbleiterschalter und zum
Beispiel vier elektromechanischen einzeln ansteuerbaren Schaltern
bestehen und die Kontaktreinigung nach dem Verfahren nach dem
Patent DE 197 11 622 C1 vornehmen, nach ca. 200 000 Schaltungen
und bei zum regulären Ein- und Ausschalten gleichzeitigem Ansteuern
der vier elektromechanischen Schalter, an dem Kontakt, welcher
dabei immer als erster schließt und als letzter öffnet, weil er
zufällig das Magnetsystem mit der besten Güte besitzt, also die
geringste Anzugsspannung benötigt und die geringste Haltespannung
hat, sich auf einer Kontakthälfte ein Aufbaukegel und auf der
anderen Kontakthälfte ein entsprechendes Loch bildeten. Diese
Materialwanderung beeinträchtigt die Lebensdauer der Kontakte. Die
elektromechanischen Schalter wurden dabei immer während der
gleichen Netzspannungs-Halbwellen-Polarität ungefähr im Scheitel
einer Halbwelle ein- und ausgeschaltet. Eine Kontakthälfte des
natürlicherweise vor und nacheilenden einen Kontaktes wurde dabei
immer bei der gleichen Polarität ein und ausgeschaltet. Bei dem
Auftreten eines Kontaktfunkens, auch wenn er sehr klein ist, trat
dieser Beobachtung nach immer eine Materialablösung auf, die bei
gleicher Polarität im Lichtbogen die Metall-Ionen immer auf die
Kathode hin transportierte.
Diese Beobachtung findet ihre Bestätigung in anderen Elektro
galvanischen Prozessen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, welche(s) einen einzelnen dem
Halbleiterschalter parallelschaltbaren Kontakt oder mehrere dem
Halbleiterschalter parallelschaltbare Kontakte, so in ihrem
Schließ- und Öffnungsverhalten und ihrem Zusammenspiel mit dem
Schalten des Halbleiters und bezüglich der Phasenlage der
Netzwechselspannungshalbwellen zu steuern, daß der Materialabtrag
von den Kontaktoberflächen, hervorgerufen durch Lichtbögen, beim
Schließen und Öffnen des einen oder der mehreren Kontakte so
gering wie möglich ist und eine Kontaktlebensdauer von mehr als 10
Millionen Schaltungen unter Vollast ermöglicht. (Herkömmliche
elektromechanische Relais erreichen dabei eine Kontaktlebensdauer
von ca. 50.000 Schaltungen.
Der Nutzen der Erfindung ist die Herstellung und Anwendung eines
nahezu verschleißfreien elektrischen Schalters für Stromstärken ab
16 Ampere bis zu ca. 100 A und bis zu 500 Volt AC, der gegenüber
rein elektromechanischen Schaltern eine nur geringe EMV relevante
Störausstrahlung hat, der kompakter, materialsparender und
platzsparender gebaut werden kann, der mit geringerer
Antriebsenergie als rein elektromechanische Schalter auskommt und
der sich und den Lastkreis selbst auf korrekte Funktion überwachen
kann. Der Anwender erzielt damit eine größere Betriebssicherheit
und spart Servicekosten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zum
Minimieren des Kontaktmaterialabtrags vorgeschlagen, daß ein
einzelner dem Halbleiterschalter parallel-geschalteter Kontakt bei
von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder Polarität der
anliegenden Netzspannungshalbwellen geschlossen und geöffnet wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß jeder Kontakt von mehreren
parallelschaltbaren Kontakten bei den Schaltvorgängen zyklisch und
reihum als erster schließt und als letzter öffnet, daß das
Schließen und Öffnen der als erste und letzte betätigten,
einzelnen Kontakte bei von Schaltvorgang zu Schaltvorgang
wechselnder Polarität der Netzspannungshalbwellen, zum
Verhindern von Materialwanderungen von einer zur anderen
Kontakthälfte, stattfindet.
Damit wird erreicht, daß beim Kontaktschließen der so betätigte
einzelne Kontakt, die anderen später betätigten Kontakte vor dem
Entstehen von Kontaktfunken schützt und nur er alleine den Strom
trägt und damit nur er alleine die folgend beschriebene Einwirkung
bekommt und daß die Schaltbelastung somit von Schaltvorgang zu
Schaltvorgang abwechselnd auf alle der zu schaltenden Kontakte
gleichmäßig verteilt wird.
Außerdem wird so geschaltet, daß ein im nahe dem Netz
spannungsnulldurchgang stattfindendes Schließen und Öffnen des
einzelnen Kontaktes erreicht wird, damit die Energien im
Restlichtbogen so gering wie möglich sind.
Das Öffnen des als letzten zu öffnenden Kontaktes geschieht immer
während der Halbleiterschalter angesteuert ist kurz vor dem Ende
einer Netzspannungshalbwelle und immer ein oder zwei
Netzspannungshalbwellen vor dem Ausschalten des
Halbleiterschalters, so daß dieser einen entstehenden Lichtbogen
am sich öffnenden Kontakt sofort kurzschließt.
Das Schließen des ersten Kontaktes geschieht spätestens eine oder
zwei Halbwellen nach dem Leitendwerden des Halbleiterschalters,
damit sich dieser nicht unnötig erwärmt. Das Schließen der
restlichen Kontakte geschieht möglichst kurze Zeit, also wenige
Millisekunden nach dem Schließen des ersten Kontaktes, damit sich
dieser durch den erhöhten Stromfluß nicht erwärmt.
Zweckmäßig ist es auch, daß wenige Millisekunden vor dem Öffnen
des letzten Kontaktes (4, 4a, usw.), alle anderen Kontakte geöffnet
werden, damit der letzte zu öffnende Kontakt sich nicht stark
erwärmt und erst dann nach dem Öffnen des letzten Kontaktes, der
Halbleiterschalter (6) zum Ende der folgenden oder übernächsten
Netzspannungshalbwelle gesperrt wird, was wegen der Symmetrie zum
polaritätswechselnden Einschalten sein muß.
Zweckmäßig ist es auch, daß der angesteuerte Halbleiterschalter
beim immer stattfindenden und lichtbogenbehafteten Prellen beim
Schließen der Kontakte und beim lichtbogenbehafteten Öffnen der
Kontakte eine Stromübernahme-Verzögerung von weniger als 50
Mikrosekunden bei weniger als 20 Volt am Kontaktlichtbogen hat,
damit der Restlichtbogen nur eine geringe Energie besitzt.
Durch diese Maßnahmen wird insbesondere bei häufig unter Last
geschalteten Kontakten erreicht, daß der Materialabtrag und die
Materialwanderung an den Kontaktoberflächen minimiert wird und das
keine einseitig ausgebildeten Kontaktkegel und Kontaktlöcher auf
den Kontaktoberflächen entstehen.
Zum Zweck der kontaktschonenden Steuerung ist es bei einem
wechsel-spannungs-beaufschlagten Stromkreis vorgesehen, daß die
Leitendphase des Halbleiterschalters in einem Nulldurchgang der
Netzwechselspannung beginnt, daß noch in der selben Halbwelle oder
nach der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle der erste
von den parallel zu schaltenden Kontakten in der Nähe eines
darauffolgenden Nulldurchgangs schließt, daß die Ansteuerung der
restlichen Relais so geschaltet wird, das die restlichen Relais
wenige Millisekunden nach dem ersten Relais ihre Kontakte
schließen, damit das zuerst geschlossene Relais seine Kontakte
nicht unnötig erwärmt.
Zum Zweck der im Patent DE 197 11 622 C1 beschriebenen und zu
bestimmten Zeitpunkten durchzuführenden Kontaktreinigung ist es
bei einem wechsel-spannungs-beaufschlagten Stromkreis vorgesehen,
daß die Leitendphase des Halbleiterschalters in einem
Nulldurchgang der Netzwechselspannung beginnt, daß nach der
Verzögerung von weniger als einer oder zwei
Netzspannungshalbwelle(n) der erste von den parallel zu
schaltenden Kontakten noch vor dem darauffolgenden Nulldurchgang
schließt, daß vom Beginn der folgenden Netzhalbwelle die
Ansteuerung des Halbleiterschalters für die Zeit von max. 5
Millisekunden gesperrt wird, damit der Kontakt durch beaufschlagen
der Frittenspannung gereinigt werden kann, daß anschließend die
Ansteuerung des Halbleiterschalters wieder für wenige
Millisekunden bis kurz vor das Ende der Halbwelle wieder
eingeschaltet wird und daß anschließend die Kontrolle der
Kontaktstromübernahme durch Messen des Stromes im Lastkreis oder
Messen der Gate-Kathoden Spannung bei einem Thyristor-
Halbleiterschalter im nicht angesteuerten Zustand noch vor dem
nächsten Netzspannungs-Nulldurchgang erfolgt.
Durch die Strommessung wird überwacht, ob die Spannungsbeauf
schlagung des oxydierten, mechanischen Kontaktes zum Durchbrechen
der Oxydschicht geführt hat.
Das Schließen der restlichen elektromechanischen Kontakte
kurze Zeit nach dem Schließen des ersten Kontaktes geschehen und
ist nicht mehr kritisch bezüglich der Phasenlage zu den
Netzspannungshalbwellen.
Die Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last in einem
Stromkreis, indem sich ein elektromagnetische Schalter mit einem
Kontakt befindet oder in dem sich wenigstens zwei unabhängig
ansteuerbare elektromagnetische Schalter mit wenigstens je einem
Kontakt befinden und zueinander parallelschaltbar sind, zu deren
Kontakte ein Halbleiterschalter parallel geschaltet ist, wobei
eine Ansteuerschaltung für jeden elektromagnetischen Schalter
sowie den Halbleiterschalter vorgesehen ist, ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Schalter durch einen
Microcontroller geschieht, der die oben beschriebenen Vorgänge
Netzspannungsphasensyncron durchführt.
Zweckmäßigerweise beinhaltet die Ansteuerschaltung eine Mess
einrichtung zur Erfassung von Meßwerten mit wenigstens einem
Stromsensor und/oder wenigstens einem Spannungssensor. Der
Mikrocontroller kann dabei sowohl Steuer- als auch Meßaufgaben
übernehmen, so daß eine kompakte Bauweise möglich ist.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und
Fig. 2-7 Diagrammfolgen für unterschiedliche Betriebszustände der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Betreiben einer in
einen Stromkreis 2 geschalteten, elektrischen Last 3. Diese Last
3 kann über mechanische Kontakte sowie einen Halbleiterschalter
6 ein- und ausgeschaltet werden. Im Ausführungsbeispiel sind vier
elektromagnetische Schalter 5 bis 5c vorgesehen, deren Kontakte 4
bis 4c zueinander und zu dem Halbleiterschalter 6 parallel
geschaltet sind. Der Halbleiterschalter 6 kann ein Triac oder zwei
antiparallel geschaltete Thyristoren sein.
Der Halbleiterschalter 6 und die elektromagnetischen Schalter 5
bis 5c werden von einem Mikrocontroller 7 angesteuert. Die vier
elektromagnetischen Schalter mit ihren parallel geschalteten
Einzelkontakten sind im Ausführungsbeispiel für eine entsprechend
hohe Strombelastung vorgesehen. Beispielsweise kann ein Einzel
kontakt 16 A Strom schalten. Im Ausführungsbeispiel ist somit eine
Strombelastung von 64 A zulässig.
Der Halbleiterschalter 6 ist während der Einschaltphase und der
Ausschaltphase aktiv und ist so dimensioniert, daß er den vollen
Laststrom für kurze Zeit beispielsweise einige Sekunden übernehmen
kann, durch die beschriebenen Steuerverfahren aber nur für wenige
Hundertstelsekunden den Laststrom alleine tragen muß.
Während des Einschaltvorganges wird zuerst der Halbleiterschalter
6 angesteuert und damit leitend und anschließend wird einer von
den elektromagnetischen Schaltern 5 bis 5c als erster aktiviert,
dessen Kontakthälften 4 bis 4c dann den Halbleiterschalter 6 in
der Nähe des Nulldurchgangs überbrücken und den Laststrom
übernehmen. Während des Kontaktiervorganges steht an den
Kontakthälften beim ersten Schließen des prellenden
Schließvorgangs nur die Schwellspannung des Halbleiterschalters 6,
also etwa 1,5 V an, so daß die Belastung der Kontakthälften ganz
erheblich reduziert ist und Störungen durch Funkenbildung
vermieden werden. Beim Einschaltprellen: Vor dem anschließenden
wiederholten bis zum endgültigen Schließen steigt die Spannung
über den Kontakthälften bis auf die Zündspannung des
Halbleiterschalters von ca. 20 Volt für die Dauer der
Zündverzugszeit des Halbleiterschalters an. Durch die nach weniger
als einer Millisekunde endgültig geschlossenen Kontakthälften wird
der Spannungsabfall über dem Halbleiterschalter 6 kleiner als
dessen Schwellspannung, so daß er nach dem Schließen der
Kontakthälften inaktiv ist und keinen Strom führt. Der
Halbleiterschalter kann dabei weiterhin angesteuert bleiben, außer
er muß das Kontaktreinigen steuern. Anschließend werden mit einer
Verzögerung von wenigen Millisekunden die restlichen Kontakte 4
bis 4c geschlossen.
Beim Ausschaltvorgang läuft die Schaltfolge umgekehrt ab, indem
bis auf den zuerst geschlossenen Kontakt, zuerst die zuletzt
geschlossene mechanischen Kontakte 4 bis 4c, bei angesteuertem
Halbleiterschalter 6 kurz vor einem Nulldurchgang der
Netzspannungshalbwelle mit der gleichen Polarität bei welcher die
Kontakte zuvor eingeschaltet wurden, geöffnet werden, dann wird
nach wenigen Millisekunden der letzte Kontakt geöffnet und erst
dann wird zum Ende der folgenden Netzspannungshalbwelle der
inzwischen alleine den Laststrom tragende Halbleiterschalter 6
gesperrt und damit der Stromkreis unterbrochen. Jeder
Schaltvorgang wird bei wechselnden Polaritäten der
Netzspannungshalbwellen vorgenommen. Einmal wird bei positiver
Netzhalbwelle eingeschaltet und bei negativer Netzhalbwelle
ausgeschaltet und das nächste Mal bei entgegengesetzten
Polaritäten ein- bzw. ausgeschaltet. Damit wird ein definierter
Kontaktmaterialtransport hin und her zwischen den Kontakthälften
beim jeweiligen Schalten erreicht. Es kann jedoch auch in einem
Schaltvorgang bei gleichen Polaritäten ein- und ausgeschaltet
werden und die Polarität insgesamt zwischen Schaltvorgang und
Schaltvorgang gewechselt werden.
Mit Hilfe einer Meßeinrichtung 8 besteht die Möglichkeit der
zeitweise durchführbaren Kontrolle des Schließzeitpunktes der
einzelnen Kontakte 4 bis 4c, ob ein Kontakt im richtigen
Zeitfenster kurz vor einem Netzspannungsnulldurchgang schließt
oder ob er gereinigt werden muß. Fließt über den
Halbleiterschalter 6 bei angesteuertem Halbleiterschalter und
gleichzeitig parallel geschlossenem, mechanischen Kontakt Strom,
so ist davon auszugehen, daß der geschlossene mechanische Kontakt
beispielsweise wegen Oxydation nicht leitet.
Im vorliegenden Fall erfolgt mit Hilfe der Meßeinrichtung 8 eine
indirekte Strommessung, indem die Spannung zwischen Kathode und
Steueranschluß 9 (Gate) gemessen wird. Wenn der bzw. die
Thyristoren des Halbleiterschalters 6 Laststrom führen, ist
zwischen Steueranschluß 9 und Kathode beim Ansteuern eine Spannung
von ca. 1 V zu messen. Solange der Thyristor Strom führt, steht
diese Spannung an, auch wenn keine Zündspannung an den
Steueranschluß 9 angelegt ist. Somit ist auf einfache Weise und
ohne Zusatz-Bauelemente eine Strommessung im Sinne einer Ja-Nein-
Messung möglich.
Zur Auswertung ist die Meßeinrichtung 8 mit dem Mikrocontroller 7
verbunden. Dieser weist eingangsseitig noch zwei Anschlüsse 10 zum
Einschalten auf. Weiterhin ist an den Netzeingang mit den
Anschlußklemmen 11 und 12 ein Spannungsteiler 13 angeschlossen,
dessen Teilerspannung bei einem Wechselstromnetz zur
Synchronisation und zum Messen der Spannung vor dem Schalter
dient.
Ein weiterer Spannungsteiler 14 dient zur Spannungsmessung am
lastseitigen Ausgang und dient zur Erkennung von Schaltfehlern des
Halbleiterschalters 6 wie beispielsweise eine Unterbrechung oder
auch das Durchlegieren des Halbleiterschalters.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet somit einen Hybridschalter
mit Meßeinrichtung(en) zur Selbstdiagnose und mit Steuerverfahren
der elektromechanischen und des Halbleiterschalters zum Erreichen
eines minimalen Kontaktmaterialabtrags der elektromechanischen
Schaltkontakte.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung wird nachstehend anhand der Diagramme nach Fig. 2 bis
7 näher erläutert.
Jeder Figur sind mehrere Diagrammzeilen zugeordnet, die bei
gleichen Funktionen auch mit gleichen, römischen Ziffern
gekennzeichnet sind.
Die Diagrammzahlen I bis VI gem.
Fig. 2 zeigt das Verfahren beim Einschalten mehrerer zu einem
Halbleiterschalter 6 parallel geschalteten Kontakte 4, 4a usw.,
wobei der erste zu schaltende Kontakt zusätzlich von Oxydschichten
gereinigt wird. Der Stromkreis ist hier und den nachfolgenden
Diagrammen an eine Netzwechselspannung mit einer Netzfrequenz von
50 Hz angeschlossen. Die Diagrammzeile I zeigt 1½ Perioden der
Netzwechselspannung. Bereiche, in denen Strom fließt, sind mit
einer Vertikalschraffur gekennzeichnet.
Die Betrachtung des Funktionsablaufes beginnt mit dem Zeitpunkt
t1. Dieser Zeitpunkt t1 fällt mit dem Nulldurchgang der an die Last
3 geschalteten Netzspannung gemäß Diagrammzeile I zusammen. In
diesem Nulldurchgang wird der Halbleiterschalter 6 angesteuert, so
daß über ihn ein Stromfluß zur Last 3 zustande kommt. Innerhalb
derselben Halbwelle oder zuvor wird einer der elektromagnetischen
Schalter z. B. 5, dessen Kontakt z. B. 4 zum Halbleiterschalter 6
parallel schaltbar ist, betätigt und es erfolgt zum Zeitpunkt t2
ein mechanischer Kontaktschluß gemäß Diagrammzeile III. Es wird in
der Darstellung von Fig. 2 davon ausgegangen, daß der Kontakt durch
eine Oxydschicht isoliert ist. Zum Zeitpunkt t4 wird die
Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 bis zum Zeitpunkt t6 zum
Zweck des Kontaktreinigens unterbrochen. Zum Zeitpunkt t5
übernimmt der Kontakt die Stromleitung. Dies ist in der
Diagrammzeile IV verdeutlicht. Trotz mechanischem Kontaktschluß
(Diagrammzeile III) zum Zeitpunkt t2 erfolgt gemäß Diagrammzeile
IV keine Stromübernahme durch den geschlossenen, mechanischen
Kontakt sondern erst zum Zeitpunkt t5.
Zum Zweck der Kontrolle ob der Kontakt leitend ist erfolgt zum
Zeitpunkt t7, siehe Diagrammzeile II ein erneutes sperren der
Ansteuerung des Halbleiterschalters 6 und zum Zeitpunkt t8, siehe
Diagrammzeile V die Prüfung durch Spannungsmessung am Gate 9, ob
der mechanische Kontakt leitend ist. Die Prozedur des
Kontaktreinigens ist in dem Patent DE 197 11 622 C1 desselben
Erfinders beschrieben und wird hier nicht weiter erläutert.
Zum Zeitpunkt t9 bis t10, siehe Diagrammzeile VI erfolgt der
Kontaktschluß der anderen restlichen Kontakte 4a, 4b usw. Der
Schließzeitpunkt der restlichen Kontakte ist zeitlich unkritisch,
weil der erste Kontakt zu diesem Zeitpunkt sicher geschlossen hat.
Durch das Schließen der weiteren Kontakte erfolgt dann die
symmetrische und gleichmäßig verteilte Stromaufteilung auf alle
Kontakte. Der Hybridschalter ist damit voll eingeschaltet.
Fig. 3 zeigt den prinzipiell gleichen Vorgang wie in Fig. 2
dargestellt, jedoch ist der Beginn des Kontaktschließzyklus um
eine Netzspannungshalbwelle nach rechts versetzt. Damit soll
dargestellt werden, daß auch in dieser Beziehung zur
Netzspannungshalbwellen-Polarität nach dem beschriebenen Verfahren
eingeschaltet werden kann. Der Polaritätswechsel findet von
Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang statt.
Fig. 4 zeigt den gleichen Einschaltvorgang von Fig. 2 ohne den
Kontaktreinigungszyklus.
Fig. 5 zeigt den Einschaltvorgang von Fig. 3 ohne den Kontakt
reinigungszyklus.
Fig. 6 zeigt den zum Einschalten wie in Fig. 2 beschrieben,
gehörenden Ausschaltvorgang.
Fig. 7 zeigt den zum Einschalten wie in Fig. 3 beschrieben,
gehörenden Ausschaltvorgang.
Es kann jedoch auch der Einschaltvorgang von Fig. 2 mit dem
Ausschaltvorgang von Fig. 7 kombiniert werden. Ebenso kann der
Einschaltvorgang von Fig. 3 mit dem Ausschaltvorgang Fig. 6
kombiniert werden.
Claims (10)
1. Verfahren zum Schalten einer elektrischen Last,
durch Steuern einer Parallelschaltung, bestehend aus
einem Halbleiterschalter und einem oder mehreren elektro
mechanisch betätigten Schaltern, wobei beim Ein- und
Ausschalten der Halbleiterschalter und beim Betrieb die
Kontakte der elektromagnetischen Schalter leitend sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner dem
Halbleiterschalter parallel-geschalteter Kontakt (4), bei
von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder
Polarität der anliegenden Netzspannungshalbwellen
geschlossen und geöffnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder dem Halbleiterschalter
parallelschaltbare Kontakt (4, 4a, usw.), von mehreren
elektromechanisch ansteuerbaren Schaltern (5, 5a, usw.),
bei den Schaltvorgängen zyklisch und reihum als erster
schließt und als letzter öffnet und daß jeder dieser so
gesteuerten, als erster und letzter schaltender Kontakt,
bei von Einschaltvorgang zu Einschaltvorgang wechselnder
Polarität geschlossen und geöffnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein einzelner dem Halbleiterschalter parallel
geschalteter Kontakt (4) in der Nähe des Anfangs oder
Endes einer Netzspannungshalbwelle schließt oder öffnet
oder, daß jeder dem Halbleiterschalter parallelschaltbare
Kontakt (4, 4a, usw.), von mehreren elektromechanisch
ansteuerbaren Schaltern (5, 5a, usw.), bei jedem
Schaltvorgang in der Nähe des Anfangs oder Endes einer
Netzspannungshalbwelle zyklisch und reihum als erster
schließt und als letzter öffnet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß noch in der selben Halbwelle in welcher der
Halbleiterschalter (6) eingeschaltet hat oder nach der
Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle ein
einzelner dem Halbleiterschalter parallel-geschalteter
Kontakt (4) in der Nähe eines darauffolgenden
Nulldurchgangs schließt oder, daß der erste von den
parallel zu schaltenden Kontakten, (4, 4a, usw.), von
mehreren elektromechanisch ansteuerbaren Schaltern (5,
5a, usw.), noch in der selben Halbwelle in welcher der
Halbleiterschalter (6) eingeschaltet hat oder nach der
Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle in der
Nähe eines darauffolgenden Nulldurchgangs schließt und
daß die Ansteuerung der restlichen elektromagnetischen
Schalter (5, 5a, usw.), so geschaltet wird, das die
restlichen Kontakte wenige Millisekunden nach dem ersten
Kontakt ihre Kontakte schließen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß wenige Millisekunden vor dem Öffnen des letzten
Kontaktes (4, 4a, usw.), alle anderen Kontakte geöffnet
werden und erst dann nach dem Öffnen des letzten
Kontaktes, der Halbleiterschalter (6) zum Ende der
folgenden oder übernächsten Netzspannungshalbwelle
gesperrt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verzögerung der Stromübernahme des
Halbleiterschalters (6) bei sich öffnendem Kontakte (4)
oder sich öffnenden Kontakten (4, 4a, usw.) der
elektromagnetisch ansteuerbaren Schalter (5, 5a, usw.)
geringer als 50 Mikrosekunden bei maximal 20 Volt
Spannungsanstieg ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitendphase des Halbleiterschalters (6) in einem
Nulldurchgang der Netzwechselspannung beginnt, daß nach
der Verzögerung von wenigstens einer Netzhalbwelle der
erste von den parallel zu schaltenden Kontakten
(4, 4a, usw.) noch vor dem darauffolgenden Nulldurchgang
schließt, daß vom Beginn der folgenden Netzhalbwelle die
Ansteuerung des Halbleiterschalters (6) für die Zeit von
max. 5 Millisekunden gesperrt wird, daß anschließend die
Ansteuerung des Halbleiterschalters (6) wieder für wenige
Millisekunden bis kurz vor das Ende der Halbwelle wieder
eingeschaltet wird und daß anschließend die Messung der
Gate (9) -Kathoden Spannung bei nicht mehr angesteuertem
Halbleiterschalter (6) vorgenommen wird.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 bis 7, zum Schalten
einer elektrischen Last (3), zum Steuern einer
Parallelschaltung, bestehend aus einem Halbleiterschalter
(6) und einem oder mehreren elektromechanisch betätigten
Schaltern (5, 5a, usw.) in einem Stromkreis, in dem sich
ein ansteuerbarer elektromagnetischer Schalter (5) mit
einem Kontakt (4) befindet dem ein Halbleiterschalter
parallelgeschaltet ist oder in dem sich wenigstens zwei
unabhängig ansteuerbare elektromagnetische Schalter
(5, 5a, usw.) mit je einem Kontakt (4, 4a, usw.) befinden und
zueinander parallelschaltbar sind, zu deren Kontakten ein
Halbleiterschalter (6) parallel geschaltet ist, wobei
eine Ansteuerschaltung (7) für jeden elektromagnetischen
Schalter (5, 5a, usw.) sowie den Halbleiterschalter (6)
vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Ansteuerung der Schalter durch einen Microcontroller (7)
geschieht, der die in den vorherigen Ansprüchen
beschriebenen Steuervorgänge Netzspannungsphasensyncron
durchführt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß Ansteuerschaltung (7) eine Messeinrichtung zur
Erfassung von Meßwerten mit wenigstens einem Stromsensor
(8) und/oder wenigstens einem Spannungssensor (14)
besitzt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ansteuerschaltung (7) einen Steuereingang (10)
und eine Messeinrichtung (13) für die
Netzspannungsphasenlage besitzt.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2826798A1 (fr) * | 2001-06-29 | 2003-01-03 | Jaeger Regulation | Circuit d'alimentation d'une charge a partir d'une tension alternative, notamment du reseau electrique |
EP1684318A1 (de) | 2005-01-21 | 2006-07-26 | Simon, S.A. | Elektronischer Schalter umfassend ein Relais mit einem Netzteil in Serie mit dem Verbraucher |
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-
1999
- 1999-04-16 DE DE1999117214 patent/DE19917214C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE19917214C2 (de) | 2002-10-24 |
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