DE4219834A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schalters - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen SchaltersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben
eines elektromagnetischen Schalters an einem Wechselstromnetz.
Beim Ein- und Ausschalten elektromagnetischer Schalter
(Relais, Schütz) können durch sich ändernde Ankeranzugskräfte
Unterschiede bezüglich der Kontaktgabe auftreten. Insbesondere
tritt dabei häufig ein Kontaktprellen auf, das zu einem
erhöhten Kontaktverschleiß und auch zu einer Verzögerung der
Kontaktgabe führt.
Wünschenswert ist es, wenn bei einzuschaltenden ohmschen
Verbrauchern die Schützkontakte im Nulldurchgang der
Netzwechselspannung schließen und dabei wenig prellen würden.
Dabei wären sie vor Abbrand weitgehend geschützt und hätten
eine größere Lebensdauer. Durch die zur Netzspannungsphasen
lage nicht synchronisierte Bestromung der Schützmagnetspule
ist dies jedoch nicht gewährleistet. Schütze oder dergleichen
magnetische Schalter schließen somit zu unterschiedlichen
Zeitpunkten bezüglich der Phasenlage der Netzspannung und mit
Prellzeiten von zum Beispiel 2 bis 15 Millisekunden.
In der Praxis werden die Schütze durch Überdimensionieren der
Schaltkontaktstücke gegen Prellen unempfindlich gemacht.
Zur Reduzierung der Kontaktbelastung ist es bereits bekannt,
parallel zu den Kontakten elektronische Halbleiterschalter
anzuordnen, die während des Ein- und Ausschaltvorganges den
Laststrom übernehmen und dabei jeweils im Nulldurchgang
schließen beziehungsweise öffnen.
Diese, auf der Leistungsseite eingesetzten Halbleiterschalter
müssen entsprechend dem fließenden Laststrom dimensioniert
sein, was bei Lastströmen von zum Beispiel mehreren 100 Ampere
einen erheblichen Aufwand verursacht.
Es sind auch schon gesteuerte Schütze bekannt, bei denen der
durch die Magnetspule fließende Strom in Abhängigkeit von der
Betriebsstellung - abgefallen oder angezogen - des Schützes
verändert werden kann, unter anderem, um ein Prellen der
Kontakte zu reduzieren. Der Zeitpunkt der tatsächlichen
Kontaktgabe läßt sich damit in Bezug auf die Nulldurchgänge
der Wechselspannung jedoch nicht vorgeben.
Zum Ein- und Ausschalten im Nulldurchgang der Netzwechsel
spannung sind auch bereits sogenannte Halbleiterrelais
bekannt, die bei vertretbarem Aufwand jedoch nur für ver
gleichsweise geringe Leistungen einsetzbar sind. Trotzdem ist
auch hierbei noch ein erhöhter Aufwand gegenüber üblichen
elektromagnetischen Schaltern beziehungsweise Schützen vor
handen. Außerdem ist eine Potentialtrennung bei solchen Halb
leiterrelais in der Regel nicht vorhanden. Schließlich sind
Halbleiterrelais gegen kurzzeitige Überstrombelastungen em
pfindlich, wobei der Überlastfaktor üblicherweise bei 10
liegt, während Schütze bis zum hundertfachen Nennstrom über
lastet werden dürfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zu schaffen, womit elektromagnetische Schal
ter - Relais, Schütze - zumindest prellarm und verschleiß
mindernd geschaltet werden können, wobei gegebenenfalls sich
während des Betriebes ändernde Betriebsparameter berück
sichtigt werden sollen. Das Schließen und gegebenenfalls das
Öffnen der Kontakte soll dabei für ohmsche Lasten jeweils im
Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchganges der
Netzwechselspannung erfolgen. Schließlich sollte der
erforderliche Aufwand gering sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die
Wechselspannung des Wechselstromnetzes bezüglich ihrer
Amplitude und ihrer Nulldurchgänge zum Zeitpunkt des Ein
schaltens des elektromagnetischen Schalters erfaßt wird, daß
zumindest in einer Einstellphase der Stromverlauf durch die
Magnetspule des elektromagnetischen Schalters im Bereich des
Ankerrückwirkungsknicks zumindest bezüglich seiner Steigungs
änderung gemessen und der Einschaltzeitpunkt im Sinne einer
Minimierung der Strom-Steigungsänderung variiert und der
passende Einschaltzeitpunkt gespeichert wird.
Bei diesem Verfahren wird eine Auswertung des durch die
Ankerrückwirkung beeinflußten Stromverlaufes vorgenommen. Der
sogenannte Ankerstromrückwirkungsknick wird hierbei hinsicht
lich seines Kurvenverlaufs bewertet, wobei insbesondere die
Steigungsänderung als Kenngröße dient.
Die auftretenden Steigungsänderungen geben dabei Aufschluß
über die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers und der Kontakte.
Eine hohe Auftreffgeschwindigkeit ergibt einen scharfen
Ankerstromrückwirkungsknick mit großer Steigungsänderung,
während bei geringer beziehungsweise passender
Auftreffgeschwindigkeit der Ankerstromrückwirkungsknick
wesentlich flacher mit geringerer Steigungsänderung aus
gebildet ist.
Durch Verändern des Einschaltzeitpunktes kann die
Anker-Anzugsenergie unter Berücksichtigung des Netzspannungs
verlaufes passend dosiert werden.
Praktische Versuche haben gezeigt, daß dabei auch der
Schließzeitpunkt in erwünschter Weise zumindest nahe dem
Nulldurchgang der Netzwechselspannung liegt. Der Ankerstrom
rückwirkungsknick beginnt nämlich nach der Kontaktgabe, da ab
diesem Zeitpunkt die Bewegung des Ankers abgebremst wird.
Ist in einer Einstellphase für den jeweils angeschlossenen
elektromagnetischen Schalter der passende Einschaltzeitpunkt
relativ zur Phasenlage der Netzwechselspannung ermittelt, kann
dieser Einschaltzeitpunkt abgespeichert werden und steht dann
in der Betriebsphase für eine praktisch prellfreie und im
Nulldurchgang erfolgende Kontaktgabe des Schütz es oder
dergleichen zur Verfügung.
Zweckmäßig ist es, wenn bei der Messung des Stromverlaufes
durch die Magnetspule nach dem Einschalten die Anzahl der
auftretenden Ankerstromrückwirkungsknicke erfaßt wird. Dadurch
steht noch eine zusätzliche Auswertegröße zur Verfügung, an
der besonders deutlich erkannt werden kann, ob und in welchem
Maße die Kontakte prellen.
Eine weitere Möglichkeit zur Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe besteht darin, daß zumindest in einer Einstellphase
der Schließzeitpunkt der Kontakte des elektromagnetischen
Schalters in Bezug auf die Nulldurchgänge der Netz-Wechsel
spannung beziehungsweise deren Phasenlage gemessen wird und
der Einschaltzeitpunkt im Sinne einer Minimierung des zeit
lichen Abstandes zwischen Kontaktschließzeitpunkt und
Spannungs-Nulldurchgang verändert und der passende Einschalt
zeitpunkt gespeichert wird.
Hierbei wird direkt an den Kontakten, vorzugsweise einem
Hauptkontakt eines Schütz es oder dergleichen der Schließzeit
punkt der Kontakte relativ zur Phasenlage der Netzspannung
gemessen und es kann dann der Einschaltzeitpunkt verändert
werden, bis die Kontaktgabe im Nulldurchgang und mit kürzester
Prellzeit erfolgt. Auch hierbei wird in der Einstellphase der
ermittelte, passende Einschaltzeitpunkt gespeichert, so daß er
in der Betriebsphase beim Einschalten des Schützes oder
dergleichen zur Verfügung steht.
Zweckmäßig ist es, wenn während der Einstellphase die Messun
gen der Strom-Steigungsänderung im Bereich des Ankerstrom
rückwirkungsknicks und/oder die Messung des Schließzeitpunktes
der Kontakte des elektromagnetischen Schalters bei verschie
denen Netz-Wechselspannungen vorgenommen wird und wenn zumin
dest die zu etwa im Nulldurchgang liegenden Kontakt-Schließ
zeitpunkten passenden Einschaltzeitpunkte mit zugehörigen Be
triebsparametern als Referenzwerte abgespeichert werden.
Für die Betriebsphase stehen dadurch mehrere Parametersätze
zur Verfügung, von denen der zu den jeweils vorhandenen
Betriebsparametern passende für den Einschaltvorgang verwendet
wird. Somit kann eine Anpassung an eine sich ändernde Netz
spannung und dergleichen automatisch erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
in der Betriebsphase der Stromverlauf beim Einschalten des
elektromagnetischen Schalters bezüglich seiner Steigungs
änderung und/oder bezüglich der Anzahl der Ankerstromrückwir
kungsknicke und/oder der Zeitpunkt der Kontaktgabe überwacht
und bei Überschreiten von vorgebbaren Grenzwerten der Ein
schaltzeitpunkt verändert und gegebenenfalls abgespeichert
wird.
Es besteht somit eine Nachregulierbarkeit, durch die
Schwankungen der die Schütz-Anzugszeit beeinflussenden Para
metern wie Netzspannung, Einbaulage des Schützes, Kontaktver
schleiß, Temperaturänderungen und so weiter ausgeglichen wer
den können und die Kontaktgabe im zeitlich genau vorgegebenen
Bereich erfolgt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur An
steuerung eines an einem Wechselstromnetz betriebenen, elek
tromagnetischen Schalters. Diese Vorrichtung ist dadurch ge
kennzeichnet, daß sie eine Strommeßeinrichtung für den durch
die Magnetspule des elektromagnetischen Schalters fließenden
Strom und/oder eine Meßeinrichtung für den Schließzeitpunkt
der Kontakte des elektromagnetischen Schalters und darüber
hinaus Meßeinrichtungen für die Netzspannungsnulldurchgänge
sowie die Netzspannungsamplitude aufweist, und daß eine mit
den Meßeinrichtungen verbundene Auswerteeinrichtung und
dergleichen zur Bestimmung eines Einschaltzeitpunktes des
elektromagnetischen Schalters zum Schließen seiner Kontakte im
Bereich des Nulldurchganges der Netzwechselspannung sowie
einen Speicher zum Speichern zumindest von
Kontakt-Schließzeitpunkten im Spannungsnulldurchgang passend
zugeordneten Einschaltzeitpunkten bei jeweils vorgegebenen,
unterschiedlichen Betriebsparametern vorgesehen sind.
Eine solche Vorrichtung läßt sich mit vergleichsweise geringem
Aufwand realisieren. Sie ermöglicht einen Einsatz in Verbin
dung mit vorhandenen elektromagnetischen Schaltern, die
dadurch, wie schon anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, eine wesentlich höhere Lebensdauer haben. Es
besteht somit wegen der geringeren Kontaktbelastung auch die
Möglichkeit, die elektromagnetischen Schalter selbst kleiner
und somit kostengünstiger zu dimensionieren.
Wird in der Einstellphase sowohl von der Messung des Strom
verlaufes im Bereich des Ankerstromrückwirkungsknicks als auch
von der Messung des Kontakt-Schließzeitpunktes Gebrauch
gemacht, kann einem Kontakt-Schließzeitpunkt im Spannungs
nulldurchgang auf einfache Weise der dazugehörige Stromverlauf
während der Anzugsphase zugeordnet und abgespeichert werden.
Später in der Betriebsphase ist dann für eine exakte Kontrolle
des Schließzeitpunktes keine Messung mehr direkt an den Kon
takten erforderlich, da der zugehörige Stromverlauf als
Referenz zur Verfügung steht. Für die Praxis ist dies von
besonderem Vorteil.
Zweckmäßigerweise sind die Auswerteeinrichtung, der Speicher,
die Meßeinrichtungen sowie eine Ablaufsteuerung in einem
Mikrocontroller integriert.
Durch diese Integration der wesentlichen Baugruppen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Mikrocontroller redu
ziert sich der Bauteileaufwand ganz erheblich. Dadurch ist
unter anderem auch die Fertigung wesentlich vereinfacht und es
lassen sich so die Herstellungskosten weiter reduzieren.
Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit
ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch
näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1. ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in stark schematisierter Form,
Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 detailliertere Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 bis 5 Diagrammgruppen mit Darstellung der
Netzwechselspannung, der Kontaktschließzeit sowie des
Stromverlaufes durch die Magnetspule und
Fig. 6 ein Diagramm mit Darstellung der Anzugszeit des
elektromagnetischen Schalters in Abhängigkeit von der
Netzspannungshöhe und dem Einschaltzeitpunkt.
Eine in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zum
"phasenrichtigen" Einschalten eines elektromagnetischen
Schalters 2, im weiteren Verlauf der Beschreibung auch kurz:
"Schütz 2" genannt, an ein Wechselstromnetz mit den Leitern L
und N. Insbesondere läßt sich damit bei einer ohmschen Last
das Schütz zu einem Zeitpunkt bestromen, bei dem unter
Berücksichtigung der Schützanzugszeit die Schützkontakte 3 im
Nulldurchgang der Netzwechselspannung schließen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1
eine Strommeßeinrichtung 4 für den durch die Magnetspule 5 des
Schützes fließenden Strom, eine Meßeinrichtung 6 für die
Netzspannungsnulldurchgänge und eine Meßeinrichtung 7 für die
Netzspannungsamplitude auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist außerdem noch eine Meßeinrichtung 8 für den Schließ
zeitpunkt der Kontakte des Schützes vorgesehen. Die vorge
nannten Meßeinrichtungen 4, 6 bis 8 sind an eine Ablauf
steuerung 9 angeschlossen.
Die Magnetspule 5 des Schütz es ist in Reihe mit einem Halb
leiter-Wechselstromschalter 10 sowie einem Strommeßwiderstand
11 geschaltet.
Mit Hilfe der Vorrichtung 1 kann anhand des Spulen
stromverlaufes und/oder anhand des tatsächlichen
Kontakt-Schließzeitpunktes, der für ein Schließen der Kontakte im
Nulldurchgang der Netzwechselspannung passende Einschalt
zeitpunkt bestimmt werden. Die zeitliche Differenz zwischen
Einschaltzeitpunkt und dem Schließen der Schützkontakte 3 ist
außer von der Konstruktion des Schütz es auch von der Höhe der
Wechselspannung und auch von dem Zeitpunkt des Einschaltens in
Bezug auf die Phasenlage der Wechselspannung abhängig.
Die Abhängigkeit der Anzugszeit von der Netzspannungsamplitude
und von deren Phasenlage ist in Fig. 6 wiedergegeben. Deutlich
ist hier zu erkennen, daß bei Einschaltzeitpunkten im Bereich
der Nulldurchgänge treppenartige Absätze im Kurvenverlauf
vorhanden sind, bei denen eine vergleichsweise hohe Abhängig
keit beziehungsweise Änderung der Anzugszeit von der Phasen
lage vorhanden ist.
Die vorgenannten Einflußfaktoren müssen berücksichtigt werden,
um einen passenden Einschaltzeitpunkt zum Schließen der Kon
takte im Nulldurchgang zu erreichen.
Erfindungsgemäß kann dies auf zweierlei Weise erreicht werden,
wobei beide Lösungen für sich alleine oder aber in Kombination
einsetzbar sind.
Das eine erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß der Strom
verlauf durch die Magnetspule 5 im Bereich des sogenannten
Ankerstromrückwirkungsknicks bezüglich dessen Verlauf und auch
bezüglich dessen Lage relativ zur Phasenlage der Wechsel
spannung überprüft wird. Der Ankerstromrückwirkungsknick
beginnt nach der Kontaktgabe, so daß aus der Lage des Strom
knicks auf den Schließzeitpunkt der Kontakte 3 geschlossen
werden kann. Weiterhin wird die Steigungsänderung im Bereich
des Ankerstromrückwirkungsknicks überprüft, wobei für ein
optimales, weitgehend prellfreies Schließen der Kontakte eine
möglichst geringe Steigerungsänderung vorhanden sein soll.
Auch die Anzahl der auftretenden Stromknicke wird zur Beur
teilung des richtigen Einschaltzeitpunktes berücksichtigt.
Bei dem zweiten, erfindungsgemäßen Verfahren wird direkt an
den Kontakten 3 der Kontakt-Schließzeitpunkt gemessen und der
Einschaltzeitpunkt dann so verändert, daß der Schließzeitpunkt
mit einem Nulldurchgang der Netzwechselspannung zusammenfällt.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß während einer Einstellphase,
also bevor das Schütz in Betrieb genommen wird, sowohl eine
Messung des Stromverlaufes im Bereich des Ankerrückwirkungs
knicks als auch eine direkte Messung des Schließzeitpunktes
der Kontakte vorgenommen wird. Die ermittelten Einschaltzeit
punkte in Bezug auf die Phasenlage der Netzwechselspannung
werden bei unterschiedlichen Netzspannungen ermittelt und zu
mindest die passenden Einschaltzeitpunkte abgespeichert. Da
beim späteren Betrieb des Schützes ein direkter Zugriff zu den
Kontakten 3 nicht immer möglich beziehungsweise auch nicht
erwünscht ist, wird in der Betriebsphase bevorzugt die Über
wachung und Messung auf den Stromverlauf im Bereich des
Ankerrückwirkungsknicks beschränkt.
Jeweils in der dritten Diagrammzeile der Fig. 3 bis 5 sind
die Stromverläufe bei unterschiedlichen Einschaltzeitpunkten
dargestellt. Deutlich sind hierbei die unterschiedlichen
Stromverläufe bei veränderten Einschaltzeitpunkten erkennbar.
In der ersten Diagrammzeile ist jeweils der sinusförmige
Verlauf der Netzwechselspannung gezeigt. Nach einer Perioden
länge soll jeweils beim Nulldurchgang 12 die Kontaktgabe
erfolgen. Gemäß Fig. 3 wird kurz nach Beginn der ersten
negativen Halbwelle zum Zeitpunkt 13 eingeschaltet und somit
die Magnetspule 5 bestromt. Der zugeordnete Stromverlaufist
in der dritten Diagrammzeile dargestellt.
Bei dem in Fig. 3 gewählten Einschaltzeitpunkt 13 ergibt sich
zwar im Nulldurchgang 12 ein erster Kontaktschluß, die zuge
führte Anzugsenergie im Anker des Schützes ist hierbei jedoch
zu groß, so daß sich ein Prellen der Schützkontakte 3 prak
tisch über eine dreiviertel Periodenlänge der Netzwechsel
spannung einstellt. Am Verlauf des Stromes durch die Magnet
spule 5 ist nach dem ersten Kontaktschluß ein erster Anker
rückwirkungsknick 14 und mit Abstand dazu vor dem endgültigen
Schließen der Kontakte ein weiterer Knick 14a zu erkennen.
Dazwischen befindet sich ein vergleichsweise großer Strom
höcker 15. Dieser Stromverlauf gibt somit Aufschluß einerseits
über eine vergleichsweise lange Prellzeit tP und andererseits
auch darüber, daß die zugeführte Anzugsenergie im Anker zu
groß war.
Gemäß Fig. 4 wurde der Einschaltzeitpunkt in Bezug auf den
Nulldurchgang 12 etwas näher an diesen gelegt und somit die
zur Verfügung stehende Anzugsenergie für den Anker reduziert.
Hier zeigt sich im Stromverlauf durch die Magnetspule 5, daß
nur noch ein Ankerrückwirkungsknick 14 auftritt und daß hier
wesentlich weichere Übergänge mit geringeren Strom-Steigungs
änderungen vorhanden sind. Der Kontaktschluß erfolgt hier beim
Nulldurchgang 12 und es ist nur noch eine vergleichsweise
kurze Prellzeit tP vorhanden.
Würde der Einschaltzeitpunkt 13b noch näher an den Nulldurch
gang 12 verschoben werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, so
würde sich eine vergleichsweise lange Anzugszeit tA ergeben,
so daß der Kontaktschluß 16 erst nach dem Nulldurchgang 12 er
folgt. Auch in diesem Falle wäre eine zu große Anzugsenergie
im Anker vorhanden, durch die sich ein hartes Auftreffen der
Kontakte mit entsprechendem Kontaktprellen einstellt.
Am Stromverlauf des Magnetspulenstromes ist nach dem ersten
Kontaktschluß ein scharfer Ankerrückwirkungsknick 14 erkenn
bar.
Aus den unterschiedlichen Beispielen gemäß Fig. 3 bis 5 ist
entnehmbar, daß anhand des Magnetspulen-Stromverlaufes im
Bereich des Ankerrückwirkungsknicks auf den Zeitpunkt der
Kontaktgabe und die Prellzeit geschlossen werden kann. Dies
wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ausgenützt.
Anhand der Fig. 2 wird nachfolgend das Einstellen und Anpassen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 an ein angeschlossenes
Schütz vorgenommen.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Groß
teil der in Fig. 1 als einzelne Funktionsblöcke dargestellten
Meßeinrichtungen in einem Mikrocontroller 17 integriert.
Bei an die Vorrichtung 1 angeschlossenem Schütz 2 wird zu
nächst in einer Einstellphase eine Anpassung der Vorrichtung 1
an das jeweils angeschlossene Schütz vorgenommen. In dieser
Einstell- oder Lernphase soll das Schließen der Kontakte 3
auch bei unterschiedlichen Betriebszuständen reproduzierbar im
Netzspannungsnulldurchgang bei geringstmöglichem Prellen der
Kontakte erfolgen. Unterschiedliche Betriebszustände können
durch Netzspannungsschwankungen, Temperaturschwankungen,
Lageänderungen des Schützes, Kontaktabbrand und dergleichen
bewirkt werden.
Der Mikrocontroller 17 weist sechs digitale Eingänge 18 auf,
die zum Erkennen der Netzspannungsnulldurchgänge sowie der
Netzspannungspolarität 18I, zum Erkennen des Vorzeichens der
gemessenen Schütz-Kontaktspannung 18II, zum Erkennen des
Vorzeichens des Schütz-Spulenstromes 18III, zum Erkennen des
"Einbefehls" von außen 18IV, weiterhin zum Erkennen des
"Lernbetriebs" in der Einstellphase 18V und schließlich zum
Erkennen des ersten Kontaktschlusses des Hilfs-Schützkontaktes
3b dienen. Weiterhin weist der Mikrocontroller 17 einen
digitalen Ausgang 19 zum Ansteuern des durch einen Triac
gebildeten Wechselstromschalters 10 sowie drei analoge
Eingänge 20 auf. Der erste Analogeingang 20I dient zur Messung
an den Schützkontakten zum Erkennen des Prellens in der
Einstellphase, der zweite Analogeingang 20II dient zur Messung
des Magnetspulenstromes in der Einstellphase und in der
Betriebsphase und der Analogeingang 20III dient zur Messung
der positiven Netzspannungshalbwellen in der Einstellphase und
in der Betriebsphase.
Während der Erstinbetriebnahme der Vorrichtung 1 wird diese
durch eine Brücke 21 zum Zwecke des Selbstlernens der
optimalen Schützansteuerparameter zuerst in eine Einstellphase
umgeschaltet. In der Einstellphase werden diejenigen
Datensätze bleibend in ein im Mikrocontroller befindliches
EEPROM 28 abgespeichert, die zum Schließen der Schützkontakte
im Netzspannungsnulldurchgang führen und die darüberhinaus das
geringste Schützkontaktprellen erzeugen.
In der Einstellphase wird die Netzspannung zum Beispiel
zwischen 190 Volt und 250 Volt in Stufen variiert und der
jeweils passende Einschaltzeitpunkt ermittelt.
Zuerst wird mit dem ersten Anlegen des Signales "Schütz ein"
über eine Schutzschaltung 26 mit Optokoppler ein Startsignal
an den Digitaleingang 18 IV des Mikrocontrollers gegeben. Über
den Digitalausgang 19 wird der Triac 10 so gezündet, daß die
Schützspule 5 zuerst in einem Nulldurchgang der Netzspannung
beginnend bestromt wird.
Der Mikrocontroller 17 registriert nun laufend in Abständen
von zum Beispiel 500 Mikrosekunden den Spannungsverlauf des
Kontaktschließens. Erfolgt der erste Kontaktschluß in der Nähe
eines Nulldurchganges, was der Mikrocontroller 17 an seinem
mit einer Synchronisierschaltung 27 verbundenen Digitaleingang
18 I oder dem Analogeingang 20 III feststellt, registriert der
Mikrocontroller den Spannungsverlauf des Kontaktschließens
zusammen mit der vorherigen maximalen Amplitude der
Netzspannung und deren Nulldurchgänge und dem Einschalt
zeitpunkt beziehungsweise Phasenanschnitt, zusammen mit dem
Spulenstromverlauf nach dem ersten Kontaktschluß in seinen
Speicher (RAM).
Die Messung der Kontaktgabe erfolgt über einen Widerstands
teiler 22 und eine Schaltung 23 zur Betrags- und Polaritäts
bildung. Der Betrag der Meßspannung wird an den Analogeingang
20 I und die Polarität an den Digitaleingang 18 II gegeben.
Der Verlauf des Magnet-Spulenstromes wird an einem Strommeß
widerstand 11 gemessen und über eine weitere Schaltung 25 zur
Betrags- und Polaritätsbildung an den Analogeingang 20 II
gegeben.
Erscheint das Signal des ersten Kontaktschlusses nicht in der
Nähe des Zeitpunktes eines Netzspannungsnulldurchganges, so
wird der registrierte Datensatz verworfen und der Schütz 2
anschließend vom Mikrocontroller 17 wieder ausgeschaltet und
anschließend nach kurzer, der Schützabfallzeit entsprechenden
Pause wieder erneut eingeschaltet, nun jedoch mit geändertem
Einschaltzeitpunkt relativ zur Phasenlage der Wechselspannung,
insbesondere mit größerem Phasenanschnitt als zuvor. Die
Incremente der Anschnitterhöhung können zum Beispiel 1 Milli
sekunde betragen.
Gemäß dem Diagramm in Fig. 6 führt dieser Anschnitt zu einer
anderen Schützanzugszeit. Der Schützkontakt-Schließzeitpunkt
kann sich nun durch den Anschnitt von einem Nulldurchgang der
Netzspannung entfernen oder ihm näherkommen. Fällt der
Schützkontakt-Schließzeitpunkt in die Nähe eines Nulldurch
ganges der Netzspannung, so wird der Parametersatz vom Mikro
controller in dem EEPROM 28 abgespeichert. Das Arbeitsprogramm
des Mikrocontrollers ist in einem PROM 29 abgelegt.
Anschließend variiert der Mikrocontroller 17 den Einschalt
zeitpunkt noch etwas, um die Kontaktgabe zu verbessern, das
heißt, exakt auf den Nulldurchgang der Netzwechselspannung zu
legen und das geringste Prellen zu erreichen. Dazu wird nun
vom Mikrocontroller 17 auch der Verlauf des Stromes durch die
Magnetspule 5 des Schützes 2 nach dem ersten Schließen des
Schützkontaktes 3 registriert und derart ausgewertet, daß der
Einschaltzeitpunkt als optimal angesehen wird, der zu einem
möglichst weichen Übergang des Spulenstromes von einer ver
gleichsweise großen Stromamplitude während der Anzugsbe
stromung zu einer kleineren Stromamplitude bei geschlossenem
Anker führt. Damit ist dann der sogenannte Ankerstromrück
wirkungsknick am geringsten ausgebildet und die Steigungs
änderungen der Stromkurve sind ebenfalls am geringsten.
Die mechanische Auftreffenergie des Ankers ist dabei am
kleinsten, was zu einem geringen Prellen des Schützkontaktes 3
führt (vergleiche auch Fig. 3 bis 5).
Das Prellen und das zeitlich genaue Schließen des Schütz
kontaktes 3 wird außerdem durch Messung des Verlaufs der
Kontaktspannung von dem Mikrocontroller 17 überwacht. Der
beste Parametersatz wird dann endgültig abgespeichert und der
Schütz 2 bei der bis dahin gleichgebliebenen ersten Netz
spannungseinstellung dann nicht mehr weiter zum Anzug
gebracht.
Die Netzspannung kann dann auf einen anderen Wert gebracht
werden, beispielsweise erhöht werden und der Vorgang des
Selbstlernens für diese andere Netzspannung wird dann erneut
gestartet. Der Selbsteinschalt- und Lernvorgang läuft dann
erneut ab wie zuvor beschrieben.
Die Netzspannungsänderung kann beispielsweise in drei Stufen
von zum Beispiel 190 Volt, 220 Volt und 250 Volt vorgenommen
werden. Zwischenwerte der Netzspannungshöhe werden vom
Mikrocontroller 17 berücksichtigt, indem er die Tabellenwerte
der zugehörigen Einschaltzeitpunkte entsprechend interpoliert,
da die Anzugszeit von dem Einschaltanschnitt und der Netz
spannungshöhe abhängt und mit der auf die Schütz-Magnetspule 5
gegebenen Spannungszeitfläche annähernd umgekehrt proportional
linear zusammenhängt (vergleiche Fig. 6).
Nach Abschluß der Einstellphase wird die Brücke 21 getrennt
und die Vorrichtung ist nun betriebsbereit.
Aus der abgespeicherten Tabelle kann dann selbsttätig in der
Betriebsphase für jede Netzspannung der optimale
Einschaltzeitpunkt ausgewählt werden.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist von dem
Schützkontaktsatz noch ein zweiter Kontakt an den Mikrocon
troller 17 angeschlossen und zwar an den Digitaleingang 18 VI.
In der Regel wird hierzu ein Hilfskontakt des Schützes 2 ver
wendet. In der Einstellphase kann am Schließzeitpunkt des
Hilfskontaktes eine eventuelle Abweichung vom Schließzeitpunkt
des Hauptkontaktes erkannt und ebenfalls abgespeichert werden.
Damit besteht die Möglichkeit, in der späteren Betriebsphase
vom Schließzeitpunkt des Hilfskontaktes auf den
Schließzeitpunkt des Hauptkontaktes zu schließen.
Falls der Spannungsteiler 22 auch in der Betriebsphase an dem
Haupt-Schützkontakt angeschlossen bleiben kann, besteht die
Möglichkeit, direkt bei diesem Kontakt ein Wegtrifften des
Kontaktschließzeitpunktes vom Netzspannungsnulldurchgang zu
erkennen und den abgespeicherten Parametersatz zu korrigieren,
wenn eine bestimmte Toleranzgrenze überschritten wird. Ist
eine direkte Messung am Hauptkontakt in der Betriebsphase
nicht mehr möglich, so besteht die Möglichkeit, den Kontakt
schließzeitpunkt des Hauptkontaktes indirekt über den noch
angeschlossenen Hilfskontakt 3b zu messen, da in der Ein
stellphase gegebenenfalls vorhandene Schließzeitdifferenzen
zwischen Hauptkontakt 3a und Hilfskontakt 3b erfaßt worden
waren.
Wird in der Betriebsphase auch der Hilfskontakt 3b anderweitig
benötigt, kann über die Überwachung des Stromverlaufes durch
die Magnetspule 5 des Schützes 2 im Bereich des Anker
rückwirkungsknicks eine Kontrolle des Kontakt-Schließzeit
punktes vorgenommen werden.
Wie bereits vorerwähnt, kann durch die Phasenlage dieses
Ankerstromrückwirkungsknicks relativ zu der der Netzwechsel
spannung auf den Kontakt-Schließzeitpunkt geschlossen werden.
Wie gut in den Fig. 3 bis 5 erkennbar, liegt der Anker
stromrückwirkungsknick 14 nach der ersten Kontaktgabe und aus
dem Kurvenverlauf ist erkennbar, ob das Schütz 2 für eine
Kontaktgabe etwa im Nulldurchgang und weitestgehend prell
freies Schalten zum richtigen Zeitpunkt eingeschaltet und
bestromt wurde.
In der Einstellphase wurde der optimale Spulenstromverlauf,
jeweils zugehörig zu unterschiedlichen Netzspannungen im
Mikrocontroller 17 abgespeichert.
Zeigt der Spulenstromverlauf bezüglich des Ankerstromrück
wirkungsknicks in dessen Lage bezüglich dem Nulldurchgang 12
der Netzspannung und in der Form des Knicks 14 und des Strom
höckers 15 nach dem Knick Abweichungen vom Sollparameter des
abgespeicherten Spulenstromverlaufs über einen bestimmten
Toleranzbereich hinaus, so kann der Mikrocontroller durch
Variation des Einschaltzeitpunktes beziehungsweise des
Spannungsanschnittes beim nächsten Schützeinschalten der
Abweichung entgegenwirken und den Istverlauf des Spulenstromes
wieder an den Sollverlauf annähern, ohne daß dabei direkt am
Schützkontakt 3 gemessen werden muß.
Verschiedene Abweichungen vom Sollverlauf des Spulenstromes
beim Ankerrückwirkungsknick sind in Fig. 3 und 5 gezeigt. In
Fig. 3 tritt ein zweiter Ankerrückwirkungsknick 14a auf und
ein hoher Stromhöcker 15 nach dem ersten Ankerrückwirkungs
knick, was auf starkes Prellen und eine Kontaktgabe außerhalb
des Nulldurchganges der Netzwechselspannung schließen läßt.
Fig. 5 zeigt in der dritten Diagrammzeile einen Spulenstrom
verlauf mit einem großen Stromhöcker 15 beim Auftreffen der
Kontakte und einen harten Übergang mit starker Steigungs
änderung im Bereich des Ankerrückwirkungsknicks 14. Der
Kontaktschluß findet hier erst nach dem Nulldurchgang 12 statt
und es tritt auch ein verstärktes Prellen auf.
Nach einer in der Betriebsphase durchgeführten Korrektur des
Einschaltzeitpunktes wird der korrigierte Einschaltzeitpunkt
beziehungsweise der Anschnittparameter im ursprünglichen,
sonst unveränderten Parametersatz erneut abgespeichert. Durch
dieses Selbstregulieren und Selbstnachstellen des optimalen
Einschaltzeitpunktes kann eine Alterung, zum Beispiel durch
Kontaktabbrand erkannt und durch Korrektur des Einschalt
zeitpunktes ausgeregelt werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird in der Einstellphase
sowohl von der Überwachung der Schützkontakte 3 als auch von
der Überwachung des Stromverlaufes im Bereich des Ankerstrom
rückwirkungsknicks Gebrauch gemacht. Wahlweise stehen dann in
der Betriebsphase unterschiedliche Parameter zur Verfügung,
auf die während der Betriebsphase zur Kontrolle des
Einschaltzeitpunktes zurückgegriffen werden kann. Dabei
besteht die Möglichkeit, alle abgespeicherten Parametersätze
mit dem jeweiligen Istwert zu vergleichen oder aber nur auf
einen Teil oder nur einen Parametersatz zurückzugreifen. Somit
würde es beispielsweise auch genügen, in der Einstellphase den
optimalen Stromverlauf durch die Magnetspule 5 des Schützes 2
im Bereich des Ankerstromrückwirkungsknickes abzuspeichern und
dann in der Betriebsphase einen Vergleich des Iststromver
laufes mit diesem abgespeicherten Sollstromverlauf vorzu
nehmen. In gleicher Weise kann, falls dies in der Betriebs
phase möglich ist, auch nur direkt an dem oder den Kontakten 3
der Einschaltzeitpunkt gemessen werden. Somit ist die Mög
lichkeit gegeben, eine Anpassung an unterschiedliche Einsatz
fälle vorzunehmen.
Beim Schalten von nicht-ohmschen Lasten durch das Schütz 2
kann die Vorrichtung 1 auch so programmiert werden, daß die
Kontaktgabe der Schützkontakte 3 nicht im Nulldurchgang der
Netzwechselspannung, sondern an einem anderen, für den
jeweiligen Lastfall passenden Zeitpunkt der
Netzspannungs-Sinuskurve erfolgt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß die Vorrichtung 1 so
programmiert wird, daß beim Ausschalten erst beim nächsten
Nulldurchgang die Schützkontakte 3 geöffnet werden, um diese
auch beim Ausschalten vor Abbrand zu schützen. In diesem Falle
wird als Wechselstromschalter 10 ein ausschaltbarer Halb
leiterschalter, zum Beispiel ein GTO-Paar verwendet.
Die gesamte Vorrichtung 1 kann als kompaktes Vorschaltgerät
ausgebildet sein, welches mit praktisch beliebigen
elektromagnetischen Schaltern zusammenarbeiten kann und somit
universell einsetzbar ist.
Claims (13)
1. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen
Schalters an einem Wechselstromnetz, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wechselspannung des Wechselstrom
netzes bezüglich ihrer Amplitude und ihrer Nulldurchgänge
zum Zeitpunkt des Einschaltens des elektromagnetischen
Schalters (2) erfaßt wird, daß zumindest in einer Ein
stellphase der Stromverlauf durch die Magnetspule (5) des
elektromagnetischen Schalters (2) im Bereich des Anker
rückwirkungsknicks (14) zumindest bezüglich seiner Stei
gungsänderung (di/dt) gemessen und der Einschaltzeitpunkt
im Sinne einer Minimierung der Stromsteigungsänderung
variiert und der passende Einschaltzeitpunkt gespeichert
wird.
2. Verfahren zum Betreiben eines elektromagnetischen
Schalters an einem Wechselstromnetz, wobei die Wechsel
spannung des Wechselstromnetzes bezüglich ihrer Amplitude
und ihrer Nulldurchgänge zum Zeitpunkt des Einschaltens
des elektromagnetischen Schalters erfaßt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest in einer Einstellphase der
Schließzeitpunkt der Kontakte (3) des elektromagnetischen
Schalters (2) in Bezug auf die Nulldurchgänge (12) der
Netz-Wechselspannung gemessen wird und der Einschaltzeit
punkt im Sinne einer Minimierung des zeitlichen Abstandes
zwischen Kontaktschließzeitpunkt und Spannungs-Nulldurch
gang verändert und der passende Einschaltzeitpunkt ge
speichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Einstellphase die Messung der
Strom-Steigungsänderung im Bereich des Ankerstromrückwirkungs
knicks und/oder die Messung des Schließzeitpunktes der
Kontakte (3) des elektromagnetischen Schalters (2) bei
verschiedenen Netz-Wechselspannungen vorgenommen wird und
daß zumindest die zu etwa im Nulldurchgang liegenden
Kontakt-Schließzeitpunkten passenden Einschaltzeitpunkte
mit zugehörigen Betriebsparametern als Referenzwerte
abgespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß bei der Messung des Stromverlaufes
durch die Magnetspule nach dem Einschalten, die Anzahl der
auftretenden Ankerstromrückwirkungsknicke (14, 14a) erfaßt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß vor jedem Einschalten des elektro
magnetischen Schalters (2) anhand der jeweils vorhandenen
Betriebsparameter ein dazu passender, abgespeicherter
Einschaltzeitpunkt ausgelesen und dann beim Einschalten
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Betriebsphase der Stromverlauf
beim Einschalten des elektromagnetischen Schalters (2)
bezüglich seiner Steigungsänderung und/oder bezüglich der
Anzahl der Ankerstromrückwirkungsknicke (14, 14a) und/oder
der Zeitpunkt der Kontaktgabe überwacht und bei
Überschreiten von vorgegebenen Grenzwerten der Einschalt
zeitpunkt verändert und gegebenenfalls abgespeichert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Ausschalten des elektromagne
tischen Schalters (2) die Kontakte in dem auf den
Ausschaltzeitpunkt folgenden Nulldurchgang geöffnet
werden.
8. Vorrichtung zur Ansteuerung eines an einem Wechselstrom
netz betriebenen, elektromagnetischen Schalters, dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine Strommeßeinrichtung (4) für
den für die Magnetspule (5) des elektromagnetischen
Schalters (2) fließenden Strom und/oder eine Meßeinrich
tung (8) für den Schließzeitpunkt der Kontakte (3) des
elektromagnetischen Schalters und darüberhinaus Meßein
richtungen (6, 7) für die Netzspannungsnulldurchgänge
sowie die Netzspannungsamplitude aufweist und daß eine mit
den Meßeinrichtungen (4, 6-8) verbundene Auswerteeinrich
tung (9) zur Bestimmung eines Einschaltzeitpunktes des
elektromagnetischen Schalters (2) zum Schließen seiner
Kontakte (3) im Bereich eines Nulldurchganges der Netz
wechselspannung sowie ein Speicher zum Speichern zumindest
von Kontakt-Schließzeitpunkten im Spannungsnulldurchgang
passend zugeordneten Einschaltzeitpunkten bei jeweils
vorgegebenen, unterschiedlichen Betriebsparametern
vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest die Auswerteeinrichtung, der Speicher, die
Meßeinrichtungen sowie eine Ablaufsteuerung (9) in einem
Mikrocontroller (17) integriert sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetspule (5) des elektromagne
tischen Schalters (2) in Reihe mit einem vom Mikrocon
troller (17) oder dergleichen angesteuerten Halbleiter
wechselstromschalter (10) sowie gegebenenfalls einem
Strommeßwiderstand (11) geschaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Wechselstromschalter
(10) ein Triac oder GTOs ist (sind).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Umschalter (21) zur Auswahl der
Betriebsart zwischen Einstellphase und Betriebsphase
vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß sie als Vorschaltgerät für vorhandene
elektromagnetische Schalter (2) ausgebildet ist.
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